Anorganische Chemie I Dr. Egbert Figgemeier. 04. Dezember 2006

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1 Anorganische Chemie I Dr. Egbert Figgemeier 04. Dezember 2006

2 Gruppe 14 C Si Ge Sn [Ed]2s 2 p 2 Pb

3 Gruppe 14 Physikalische Eigenschaften Zunahme des metallischen Charakters innerhalb der Gruppe. Element Atommasse Schmelzpunkt (K) Siedepunkt (K) Dichte (kg/m³) Mohshärte Elektr. Leitfähigkeit (S/m) Elektronegativität Kohlenstoff , bis ,5 bis 10, bis ,5 Silicium , ,5 2, ,7 Germanium , ,45 2,0 Zinn , ,5 9, ? Blei , ,5 4, ,6

4 Gruppe 14 Physikalische Eigenschaften

5 Gruppe 14 Physikalische Eigenschaften C Si Ge Sn Pb

6 Gruppe 14 Chemische Eigenschaften

7 Geschichte: Kohlenstoff ist das erste Element, dass sich die Menschheit in einer chemischen Reaktion zu Nutze gemacht hat: Verbrennung. Nachweis durch Lavoisier, dass Diamanten und Graphit aus Kohlenstoff bestehen er hat Diamanten verbrannt! 1985: Entdeckung der Fullerene durch Robert F. Curl (USA), Harold W. Kroto (GB) und Richard E. Smalley (USA) Nobelpreis : Entdeckung der mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen. 1993: Entdeckung der einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen.

8 Allotrope des Kohlenstoffs: Diamant Graphit Fullerene Nanoröhrchen (Nanotubes) Amorpher Kohlenstoff - Aktivkohle

9 Diamant: Sp3-Hybridisierung. Das Gitter des Diamanten besteht aus zwei sich gegenseitig durchdringenden kubisch flächenzentrierten (fcc) Gittern. Jedes Kohlenstoffatom ist gleichwertig mit vier Nachbaratomen kovalent gebunden. Der Diamant ist nur METASTABIL und nicht STABIL. Er wandelt sich mit sehr sehr kleiner Geschwindigkeit in Graphit um: C(Diamant) C(Graphit) r G 0 = kj/mol

10 Diamant (Vorkommen und Herstellung): Natürliche Vorkommen:

11 Diamant (Vorkommen und Herstellung): Herstellung durch Mischen von flüssigem Metall und Graphit. Anschliessend wird bei hohem Druck und Temperatur auskristallisiert (3000 K; 12.5*10 3 Pa).

12 Diamant Eigenschaft und Verwendung: Der Diamant hat die höchste bekannte Härte: Härtegrad 10 (nach Mohs). Aus der Härte resultieren die meisten Anwendungen: Schleifmittel. Sägen (z.b. Beton, Kristalle für die Halbleiterindustrie). Bohren. Steinkohleförderung. Usw. Diamant als Schmuckstück Brilliant ist eine spezielle Schleifform des Diamanten:

13 Graphit: β-graphit α-graphit

14 Graphit (Vorkommen und Herstellung): Natürliche Vorkommen: Die Vorkommen sind nicht konzentriert und verteilen sich sehr gleichmässig über den Globus Jahresproduktion: ca 1 Mio t. Industrielle Herstellung: Graphit wird künstlich hergestellt durch Erhitzen von Koks bei 2800 K mit SiO 2 hergestellt. Jahresproduktion:???

15 Graphit (Eigenschaften): sp2-hybridisierung. Niedriger elektrischer Widerstand entlang der Schichten. Sehr weich (Härtegrad 1 nach Mohs), da die Schichten beliebig gegeneinander verschoben werden können. Hoher elektrischer Widerstand senkrecht zu den Schichten. Graphit ist aufgrund der ungesättigten Bindungen erheblich reaktiver als der Diamant!

16 Graphit (Eigenschaften): Graphit verbrennt mit Sauerstoff schon bei 970 K (Diamant: 1170 K). Graphit bildet Interkalationsverbindungen (mit und ohne Erhalt der Leitfähigkeit): 1.) Interkalationsverbindung, bei denen die elektrische Leitfähigkeit nicht erhalten bleibt geättigte C-Atome in gewellter Form (z.b. CF n mit n 1). Herstellung durch Umsetzung von Graphit mit F 2 und HF (bei 720 K). Farbe hängt von Grad der Fluorinierung ab. Verwendung als oxidationsstabiles Schmiermittel.

17 2.) Interkalationsverbindungen, bei denen die Leitfähigkeit erhalten bleibt. Metallionen können in die Schichten eingelagert werden. Z.B. reagieren Alkalimetalle mit Graphit unter Einlagerung: K + Graphit K + [C 8 ] - Kupferfarbende, paramagnetische Verbingung. Schichtabstand ist aufgeweitet: 335 pm 540 pm. Ekliptisch anstatt gestaffelte Anordnung der Schichten. Zentriert hexagonale Anordnung der K + -Ionen. Zusätzliche Elektronen bringen zusätzliche Leitfähigkeit. Alkalimetallinterkalationsverbindungen des Graphits sind explosiv. K-Ionen können teilweise durch d-block-elemente ersetzt werden (MnC 16, FeC 24 usw.)

18 Graphit Verwendung: Batterien, Brennstoffzellen...

19 Fullerene: 1985: Entdeckung der Fullerene durch Robert F. Curl (USA), Harold W. Kroto (GB) und Richard E. Smalley (USA) Nobelpreis Benennung nach Richard Buckminster Fuller Architekt. C 60, C 70, C 76, C 78, C 84

20 Fullerene: C70 5 unterschiedliche C-Atome können im NMR-Spektrum unterschieden werden!

21 Fullerene: Graphit wird unter reduziertem Druck in Schutzgasatmosphäre (Argon) mit einer Widerstandsheizung oder im Lichtbogen. 5-Ringe. 6-Ringe. 139 pm 145,5 pm Aufhebung der aromatischen Struktur und Unterscheidbarkeit von Doppelund Einfachbindungsverhältnissen.

22 Fullerene - Reaktivität: Die aufgehobene Aromatizität führt dazu, dass C60 nicht wie Benzol reagiert! Hydrierung:

23 Fullerene - Reaktivität: Halogenierungen:

24 Fullerene - Reaktivität: Sauerstoffadditionen Die Reaktionen von Sauerstoff mit Fulleren erinnern sehr stark an entsprechende Reaktionen der Alkene.

25 Nanoröhren: Multi wall nano tubes (MWT) Single wall nano tubes (SWT) Entdeckung 1991 als Nebenprodukt der Fullerenforschung. Herstellung analog zun Fullerenen. Eigenschaften: Extrem Zugfest. Sehr leitfähig entlang der Achse. Sehr hohe Strombelastbarkeit. Auch halbleitende Eigenschaften. Anwendungen - theoretisch: Transistoren. Seile. Drähte... Anwendungen praktisch: Zugabe zu Kunststoffen, um die statische Aufladung zu verhindern (90 t Produktionsanlage befindet sich in der Entwicklung).

26 Aktivkohle amorpher Kohlenstoff: Herstellung aus Holz und Torf. Extrem grosse Oberfläche. Porengrössen variieren zwischen 2 und 50 nm. Sehr hydrophob Anwendung als Adsorptionsmaterial. Anwendungen: Gasmasken; Wasseraufbereitung; Laborabzüge; Dunstabzugshauben Aktivkohlefilter. Templat in der Synthese von hochporösen Materialien.

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