Allotrope Kohlenstoffmodifikationen

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2 Übersicht Was ist Allotropie? Graphit Diamant Lonsdaleit Fullerene Carbon Nanotubes 2

3 Allotropie unterschiedliche Modifikationen eines Elements unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften identische Zusammensetzung 3

4 Graphit Eigenschaften: graue, schuppige, undurchsichtige Masse (ρ = 2,26 g/cm³) geruchs- und geschmackslos schwacher Metallglanz, stark abfärbend anisotroper elektrischer Leiter Sublimation bei 3770 C (in sauerstofffreier Atmosphäre) 4

5 Graphit Struktur und Bindungsverhältnisse übereinandergelagerte, ebene Kohlenstoffschichten hexagonale Ringe mit sp² Hybridisierung Bindungsordnung beträgt 1 1/3 (Bindungslänge 142 pm) 5

6 Graphit Gewinnung Aufreinigung von natürlichem Graphit thermische Zersetzung fossiler Brennstoffe Verwendung feuerfeste Produkte (z.b. Tiegel) Schutzanstrichte für Hochöfen Einsatz als Bleistiftmine 6

7 Diamant Eigenschaften: härtestes bekanntes Material (Mohs-Härte: 10; ρ=3,51 g/cm³) farbloses, geruchs- und geschmackloses Material stark lichtbrechende und -dispergierende Kristalle höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit keine elektrische Leitfähigkeit (Nichtleiter) 7

8 Diamant Struktur und Bindungsverhältnisse sp³ Hybridisierung des Kohlenstoffs tetraedrische Umgebung (Abstand 154 pm) kubischer Diamant entspricht Zinkblende (ZnS) Zinkblende Struktur 8

9 Diamant Gewinnung natürliche Diamanten aus Kimberlit künstliche Diamanten aus Graphit dünne Schichten per CVD Verfahren Verwendung farbige, geschliffene Diamanten Schleifmaterial Bohrerspitzen für besonders harte Gesteine 9

10 Lonsdaleit seltene Form des Kohlenstoff 1967 von K. Lonsdale entdeckt hexagonaler Diamant Entstehung bei Graphit - Umwandlung Sesselkonformation Wannenkonformation 10

11 C60 - Fulleren Fullerene Eigenschaften gelbbraune bis schwarzbraune Kristalle graphitweich, aber geringere Dichte (ρ=1,65 g/cm³) mäßig lösbar in organischen Lösungsmitteln farbig in verdünnten Lösungen π π* Elektronenübergänge 11

12 Fullerene Struktur und Bindungsverhältnisse bildet eine Molekülstruktur sp² Hybridisierung der C Atome 3 dimensionale Ausdehnung der π Bindungen 12

13 Fullerene Gewinnung dampfförmiges Graphit thermodynamisch abschrecken Abtrennung aus Ruß mit Toluol natürliche Vorkommen sind Shungit und Fulgurit 13

14 Fullerene Verwendung Forschung an Anwendungen für Fullerene z.b. bei CNT Carbon Nanotubes 14

15 CNT Carbon Nanotubes Kohlenstoffröhren mit 1-50 nm Durchmesser mehreren Millimetern Länge hohe elektrische Stromdichte und Leitfähigkeit hohe Zugfestigkeit und E-Modul hohe thermische Widerstandsfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit 15

16 CNT Carbon Nanotubes Herstellung Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden mit Katalysatoren entstehen SW-CNT per CVD ganze Felder per Laser - Ablation 16

17 CNT Carbon Nanotubes Anwendungen Elektroindustrie (Nanoprozessoren) Messtechnik (Rastertunnelmikroskope) Verbesserung von Kunststoffen Medizin: Transport von Substanzen, Genen und Antigenen 17

18 CNT Carbon Nanotubes Gesundheitliche Auswirkungen bisher nicht eindeutig geklärt Asbestähnliche Strukur Vermutung auf Cancerogenität Toxizität der Katalysatorreste 18

19 Quellen A.F Hollemann E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Auflage 1995, Walter de Gruyter inerale/publishingimages/grafit_1.jpg 19

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