Der Kohlenstoff



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Kohlenstoff-Modifikationen - -

Der Kohlenstoff

Mit seinen vier Valenzelektronen ist das Kohlenstoffatom in der Lage, Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen auszubilden:



Ein abgeschlossenes Kohlenstoffmolekül C2 ist nicht möglich (Sie erinnern sich: Es gibt keine Vierfachbindungen). Die Modifikationen des Kohlenstoffs bestehen daher aus unendlich ausgedehnten Atomverbänden, die an ihrer Oberfläche durch Unregelmässigkeiten abgeschlossen werden (z. B. Bindungen mit Fremdatomen wie Wasserstoff).

Bis vor wenigen Jahren waren nur zwei Kohlenstoff-Modifikationen bekannt: Graphit und Diamant. 1985 entdeckten Curl, Kroto und Smalley eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs: die Fullerene. Dafür wurden sie 1996 mit dem Chemie-Nobelpreis geehrt.



Prof. Robert F. Curl Jr.1 Prof. Sir Harold W. Kroto2 Prof. Richard E. Smalley2

Rice University, USA University of Sussex, GB Rice University, USA



Graphit





Struktur
G
Struktur des Graphits3
raphit hat eine Schichtstruktur, bei der regelmässige, ebene Sechsringe wie Blätterteigschichten übereinander gelegt sind. In einer Schicht ist jedes Kohlenstoffatom mit drei anderen kovalent verbunden. Für diese kovalenten Bindungen werden jeweils drei der vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs benötigt. Die "vierten" Valenzelektronen bauen ein über die ganze Schicht reichendes delokalisiertes Elektronensystem auf.2






Delokalisierte Elektronen sind ein über die ganze Schicht verteiltes Elektronensystem. Das Verhalten der delokalisierten Elektronen lässt sich mit der Elektronenwolke in Metallen vergleichen.

Vorkommen und Verwendung

N
Graphit

atürlicher Graphit kommt vor allem in China, Korea und Indien vor. Pro Jahr werden ungefähr 600'000 Tonnen sowohl im Tagebau als auch unter Tag abgebaut. Graphit wird nicht nur für Bleistiftminen verwendet. Falls die Verwendung von Öl als Schmiermittel problematisch ist (z.B. weil es verharzt), kann Graphit verwendet werden. Andere Anwendungen sind Bremsbeläge (anstelle von Asbest) und feuerfeste Tiegel.3


Künstlicher Graphit wird durch Pyrolyse (Erhitzen unter Luftausschluss) von Kohle und Erdöl gewonnen. Jährlich werden durch dieses Verfahren mehrere Millionen Tonnen Graphit hergestellt. Künstlich hergestellter Graphit wird vor allem für Elektroden verwendet.4

Schichtstruktur des Graphits unter

dem Raster-Elektronen-Mikroskop

Diamant

Struktur


I


Diamantgitter6
m Diamantgitter ist jedes Kohlenstoffatom mit vier anderen kovalent verbunden. Die vier Bindungen ordnen sich dabei


tetraedrisch (Bindungswinkel von 109°) an. Im Gegensatz zum Graphit werden also alle vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs für die kovalenten Bindungen verwendet.5

Vorkommen und Gewinnung
Natürlicher Diamant wird mittels eines komplizierten Verfahrens aus dem Mineral Kimberlit gewonnen. Kimberlit kommt vor allem in Südafrika, Brasilien und Sibirien vor.6
K
Diamanthaltiger Kimberlit
ünstlicher Diamant
kann aus Graphit bei sehr hohem Druck (über 50 kbar) und hoher Temperatur (ca. 2000 °C) hergestellt werden. Man erhält kleine Diamanten von ungefähr 1 mm Durchmesser. Die Herstellung größerer Diamanten wäre nach diesem Verfahren zu teuer. Bei Normaldruck (1 bar) und einer Temperatur von 1500 °C entsteht aus Diamant wieder Graphit.

Verwendung

Diamanten sind als Schmucksteine begehrt. Dies verdanken sie ihrer Härte und der schillernden Lichtreflektion, welche durch die hohe Lichtbrechung hervorgerufen wird. Diese kann durch einen speziellen Schliff zusätzlich verstärkt werden. Wegen ihrer Seltenheit sind grosse Diamanten sehr teuer.






Experiment: Kleine Diamanten werden zur Bearbeitung von sehr harten Werkstoffen verwendet. Auch das Schneiden von Glas ist mit einem Diamanten problemlos möglich.

Fullerene
Struktur und Eigenschaften
Fullerene sind aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, die sich zu regelmässigen Fünf- oder Sechsringen zusammenschliessen. Jedes Kohlenstoffatom ist kovalent mit drei anderen verbunden. Das “vierte“ Valenzelektron ist ungebunden, delokalisiert. Im C60-Fulleren liegen die Fünf- und Sechsringe in einer symmetrischen Anordnung vor. Jeder Fünfring ist von 5 Sechsringen umgeben. Jeder Sechsring ist von 3 Fünfringen und 3 Sechsringen umgeben.
Entdeckung und Herstellung

1985 haben die Chemiker Robert F. Curl, Harold W. Kroto und Richard E. Smalley erstmals ein Fulleren (C60) hergestellt. Dabei wurde Graphit mit Hilfe eines Lasers erhitzt und verdampft. Es entstand allerdings nur sehr wenig C60.



W. Krätschmer (Deutschland) und D. R. Huffman (USA) entwickelten 1990 ein Verfahren, um C60 in größeren Mengen herzustellen. In einer Heliumatmosphäre wird dabei Graphit im elektrischen Lichtbogen verdampft. Der entstehende Ruß enthält bis zu 15 % Fulleren, das mit Toluol extrahiert (ausgewaschen) werden kann.

Ein Gramm C60 kostet heute gut CHF 500..



Verwendung

Konkrete praktische oder technische Anwendungen für Fullerene gibt es zur Zeit noch nicht. Dafür eine ganze Menge von Ideen und Spekulationen. Lassen wir uns überraschen. Auch für den Laser gab es lange keine praktische Verwendung.



Ein seltsamer Name

Woher kommt eigentlich der Name Fulleren? Der amerikanische Architekt Richard Buckminster Fuller konstruierte unter anderem eigenartige Kuppeln, die aus Fünfecken und Sechsecken zusammengesetzt waren. Ihm zu Ehren nannte man die Moleküle, die den Kuppeln in mancher Beziehung ähnlich sehen, Fullerene.





Richard Buckminster Fuller

1895 - 1983 Geodesic Dome, Expo ’67, Montreal

(Quelle: http://www.bfi.org/) (Quelle: http://naid.sppsr.ucla.edu/expo67/)



Zusammenfassung

Übertragen Sie das Ergebnis der Partnerarbeit in die folgende Tabelle:





Eigenschaften

Graphit

Diamant

Fulleren

Aussehen







schwarz als Pulver

violett in Toluol

Härte







weich

elektrische Leitfähigkeit







keine (Pulver)

Schmelztemperatur

3700 °C

wird bei 1500 °C und unter Luftausschluss zu Graphit

über 360 °C

Dichte

2.3 g/cm3

3.5 g/cm3

1.7 g/cm3

Wärmeleitfähigkeit







keine Angabe

Vorkommen







synthetisch

Preis







CHF 500.-/g

Verwendungszwecke



















keine konkrete Anwendung

Gemeinsamkeiten

Graphit und Diamant sind Modifikationen (Erscheinungsformen) des Kohlenstoffs.
Modifikationen bestehen aus denselben Atomen, haben aber durch unterschiedliche räumliche
Anordnung der Atome unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften.

Graphit, Diamant und Fullerene sind aus den gleichen Atomen aufgebaut, die in den drei Stoffen lediglich unterschiedlich angeordnet sind. Das Verhalten der einzelnen Stoffe ist aber völlig verschieden.







Die Eigenschaften von Stoffen hängen von ihrer chemischen Struktur ab.



1 Quelle: http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1996/

2 Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988; 9. Auflage;

(Salle & Sauerländer).



3


4


5 Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988; 9. Auflage;

(Salle & Sauerländer).



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