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Der Kohlenstoff

By Marilyn Peterson,2014-06-05 03:18
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Der Kohlenstoff

KOHLENSTOFF-MODIFIKATIONEN - 1 -

    Der Kohlenstoff

Mit seinen vier Valenzelektronen ist das Kohlenstoffatom in der Lage, Einfach-,

    Doppel- und Dreifachbindungen auszubilden:

    HH6 H

    CCHCCH

    HH

    4 HHH

    CCCCCC

    HH

    2 H

    CCHCCH

Ein abgeschlossenes Kohlenstoffmolekül C ist nicht möglich (Sie erinnern sich: Es 2

    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.

     122Prof. Robert F. Curl Jr. Prof. Sir Harold W. Kroto Prof. Richard E. Smalley Rice University, USA University of Sussex, GB Rice University, USA

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

KOHLENSTOFF-MODIFIKATIONEN - 2 -

    Graphit

Struktur

    Graphit 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 3 Struktur des Graphitsdelokalisiertes Elektronensystem auf.

    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

Natürlicher 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 Graphit Asbest) und feuerfeste Tiegel.

    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.

     Schichtstruktur des Graphits unter dem Raster-Elektronen-Mikroskop

     2 Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988; 9. Auflage; (Salle & Sauerländer).

KOHLENSTOFF-MODIFIKATIONEN - 3 -

    Diamant

Struktur

Im Diamantgitter ist jedes Kohlenstoffatom

    mit vier anderen kovalent verbunden. Die

    vier Bindungen ordnen sich dabei

     C

    CC CC

     C

    tetraedrisch (Bindungswinkel von 109?) an.

    Im Gegensatz zum Graphit werden also alle

    vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs für

    6die kovalenten Bindungen verwendet. Diamantgitter

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.

Künstlicher 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.

    Diamanthaltiger Kimberlit

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.

     5 Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988; 9. Auflage; (Salle & Sauerländer).

KOHLENSTOFF-MODIFIKATIONEN - 4 -

    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 C-Fulleren liegen die Fünf- und 60

    Sechsringe in einer symmetrischen Anordnung vor.

    C 60Jeder 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 (C) hergestellt. Dabei wurde Graphit mit Hilfe eines Lasers 60

    erhitzt und verdampft. Es entstand allerdings nur sehr wenig C. 60

    W. Krätschmer (Deutschland) und D. R. Huffman (USA) entwickelten 1990 ein

    Verfahren, um C in größeren Mengen herzustellen. In einer Heliumatmosphäre 60

    wird dabei Graphit im elektrischen Lichtbogen verdampft. Der entstehende Ruß enthält bis zu 15 % Fulleren, das mit Toluol extrahiert (ausgewaschen) werden kann. Ein Gramm C kostet heute gut CHF 500.;. 60

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/)

KOHLENSTOFF-MODIFIKATIONEN - 5 -

    Zusammenfassung

    Übertragen Sie das Ergebnis der Partnerarbeit in die folgende Tabelle:

    Eigenschaften Graphit Diamant Fulleren

    schwarz als Pulver Aussehen violett in Toluol

     weich Härte

     keine (Pulver) elektrische Leitfähigkeit

    wird bei 1500 ?C und

    3700 ?C unter Luftausschluss über 360 ?C Schmelztemperatur

    zu Graphit

    3332.3 g/cm 3.5 g/cm 1.7 g/cm Dichte

     keine Angabe Wärmeleitfähigkeit

     synthetisch Vorkommen

     CHF 500.-/g Preis

     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.

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