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Kohlenstoff


K o h l e n s t o f f



Inhaltsverzeichnis


I.           Allgemeine Erklärung



II.        Modifikationen





Diamant

a)      Eigenschaften

b)      Entstehung / Herstellung

c)       Verwendung


Graphit

a)         Eigenschaften

b)        Entstehung / Herstellung

c)         Verwendung


Fullerit

a)        Eigenschaften

b)        Entstehung / Herstellung

c)         Verwendung


amorpher Kohlenstoff

a)           Eigenschaften

b)          Entstehung / Herstellung

c)           Verwendung











I.           Allgemeine Erklärung


Kohlenstoff ist ein Element der IV. Hauptgruppe des Periodensystems und trägt die Ordnungszahl 6. Die Atommasse beträgt 12,011 u. In geringen Mengen gibt es auch

C13 und C14, welches radioaktiv ist.

Aus diesem Grund wird es auch zur Datierung von organischem Material benutzt. C14 entsteht in der oberen Atmosphäre, wo durch kosmische Strahlung (Neutronen) eine Reaktion von Stickstoff zu C14 ausgelöst wird.

Reaktionsgleichung: 14N + n 14C + p

Direkt nach diesem Vorgang wird das entstandene C14 zu CO oxidiert und mit der Luft und außerdem mit dem Wasser der Ozeane vermischt.

Die Radiokarbonmethode ist möglich, weil durch Stoffwechselprozeße das Niveau von C14 in einem lebenden Organismus gleich dem Niveau in der Atmosphäre ist. Da nach dem Tod des Organismus keine Stoffwechselprozeße mehr ablaufen, wird der Anteil von C14

konstant weniger. Die Halbwertszeit beträgt ca. 5730 Jahre. Dieser relativ schnelle Zerfall begrenzt die Datierungszeit auf 50 000 bis 70 000 Jahre. Je älter die zu datierende Probe,

desto ungenauer wird das Messergebnis. So können Fehler von 2 000 bis zu 5 000 Jahren

entstehen ( z.B. durch Verunreinigung der Probe oder Einlagerungen von älterem oder jüngerem Kohlenstoff ).

Kohlenstoff besitzt die Fähigkeit, sich mit anderen Atomen unter Bildung von komplexen Ketten und Ringen zu verbinden. Die einfachsten bestehen aus Kohlenstoff mit Wasserstoff.

Kohlenstoff verbrennt unter Freisetzung von Energie zu CO bzw. zu CO

In der Natur kommt Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Carbonaten vor, also in vielen Gesteinen. Außerdem befindet es sich als CO und CO in der Luft und im Wasser, wobei sich hier ein etwa 50 mal so großes Reservoir befindet ( 35 Gigatonnen ) .

Organismen sind auch aus Verbindungen mit Kohlenstoff aufgebaut. In der Nahrung liefert er

Energie als Kohlenhydrate. Eine sehr wichtige Bedeutung hat der Kohlenstoff als Energielieferant in Form von fossilen Brennstoffen erlangt wie z.B. als Erdöl, Erdgas und Kohle.






II.        Modifikationen





Diamant


a)      Eigenschaften


Diamant ist das härteste aller bekannten Materialien. Das ist auf den Atombau zurückzuführen; bei einer Spaltung müssen immer Atombindungen gespalten werden. Die Atome bilden ein tetraedisches, regelmäßiges und stabiles Gitter. Jedes Kohlenstoffatom ist von vier weiteren tetraedisch umgeben. Die Atombindungen zwischen ihnen sind alle gleich lang nämlich 115pm. Dadurch, dass alle Außenelektronen an einer Bindung beteiligt sind, läßt sich auch erklären, dass Diamant den elektrischen Strom nicht leitet.

Jedoch leitet er die Wärme um so besser; er ist das Material, mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit. Zudem ist der thermische Ausdehnungskoeffizient fast so klein wie der von Quarzglas.


Diamant besitzt ein Dichte von 3.5g/cm³. Erst bei 800 C verbrennt er an Luft zu CO . Unter Luftausschluß bleibt er bis 1600 C stabil. Dann wandelt er sich in Graphit um.

Diamant hat eine äußerst geringe chemische Reaktivität. Nur stark oxidierende Säuren und Schmelzen oder flüssige, carbidbildende Metalle können ihm bei höheren Temperaturen etwas anhaben.

Diamanten lassen sich in der Natur auch mit unterschiedlichen Farben und Transparenz finden. Meistens ist die Ursache dafür, dass sich Verunreinigungen im Diamant befinden.

Der Diamantglanz und das Farbenspiel beruhen auf der sehr hohen Lichtbrechung des Kristalls. Es kann auch vorkommen, dass der Diamant kurzzeitige Lumineszenz besitzt,

wenn man ihn einer ultravioletten Lichtquelle aussetzt, d.h., dass er kurzzeitig in einer Farbe leuchtet (gewöhnlich hellblau).



b)      Entstehung / Herstellung


Der genaue Mechanismus, wie Diamanten entstehen, ist noch umstritten; sicher ist jedoch, dass Kohlenstoff nur unter sehr großer Wärme und gleichzeitig sehr hohem Druck als Diamant kristallisiert. In der Natur geschieht dies z.B. in Vulkanen.

Die einfache Herstellung ist die Umwandlung von Graphit. Im Jahre 1955 ist dies erst gelungen. Unter dem Druck von 50 Kilobar und 1700 C wurde aus kristallinem Graphit

Diamantpulver hergestellt.

Allerdings gibt es auch eine andere Methode der Synthese - die CVD-Synthese. CVD kann man nach englisch chemical vapour deposition mit "reaktive Abscheidung aus der Gasphase"

übersetzen. Das erlaubt, nahezu beliebige Materialien großflächig mit Diamantfilmen zu beschichten. Dazu gibt es verschiedene Verfahren. Eine ist die "Hot filament" -Methode.

Dabei wird durch die große Hitze des Heizdrahtes (2000 Grad Celsius) das Gasgemisch aus

Methan, Wasserstoff und teilweise auch Sauerstoff zersetzt. In einem Abstand von ca. 0,7cm

kristallisiert nun Diamant auf einem gekühlten Substratmaterial ( 500 - 1000 Grad Celsius).

Die Wachstumsrate pro Stunde beträgt zwischen 1 Mikrometer bis zu 10 Mikrometer pro Stunde.



c)      Verwendung


In der Elektronik findet Diamant eine breite Anwendung. Temperaturempfindliche Bauteile zum Beispiel werden wegen der hohen Wärmeleifähigkeit des Diamanten mit einem Diamantfilm beschichtet. Wenn Diamanten Spuren von bestimmten Stoffen enthalten, werden

sie halbleitend. So werden beispielsweise Dioden hergestellt, die enormer Temperatur ausgesetzt sind. Normale Dioden auf Siliciumbasis werden schon bei 100 Grad Celsius, die

Diamant-Dioden funktionieren bei Temperaturen von weit über 500 Grad Celsius immer noch. Es befinden sich auch schon Prototypen von elektronischen Verstärkern (Transistoren) auf Diamantbasis in der Entwicklung. Eine andere Verwendung besteht im Lautsprecherbau.

Die durch CVD beschichtete Membran besitzt eine hohe Steifigkeit mit sehr guten Klangeigenschaften und sehr guter Resistenz vor starken Bässen.

Ein anderer Anwendungsbereich ist die Verwendung in der Industrie. Dort dient Diamant als Schleifmittel und bei Schneid-, Bohr-, Fräs- oder Schleifwerkzeugen. Diamantwerkzeuge bieten eine bis zu fünfmal solange Lebensdauer als herkömmliche Industriewerkzeuge in dieser Branche.

Natürlich dient Diamant auch als Schmuckstein wegen der Farbenvielfalt und dem Glanz.


Graphit



a)        Eigenschaften


Graphit ist schwarz, weich und besitzt einen metallischen Glanz. Der Atombau erklärt dieses.

Die weiche Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass Graphit aus Schichten besteht die sich leicht gegeneinander verschieben lassen, da sie nicht durch Atombindungen miteinander

verkettet sind. Sie haben einen Abstand von 335pm und werden aus hexagonal angeordneten

Kohlenstoffatomen gebildet. Jedes Atom besitzt somit eine Atombindung mit drei weiteren, dessen Länge 142pm beträgt. Der Winkel der dadurch entsteht beträgt 120 . Da ein Außenelektron je Atom ohne Bindung bleibt, kann sich dieses im ganzen Graphitstück bewegen. Darauf läßt sich also zurückführen, dass Graphit als einziges Nichtmetall ein guter elektrischer Leiter ist. Graphit besitzt eine Dichte von 2,3g/cm³ und eine Schmelztemperatur von ca. 3650 C. Graphit ist ein schlechter Wärmeleiter und es ist brennbar. 



b)        Entstehung / Herstellung


In der Natur vorkommender Graphit, der unter Hitze- und Druckeinwirkung z.B. in Vulkanen entstanden ist, enthält meistens Verunreinigungen und wir deshalb technisch gereinigt.

Graphit läßt sich aber auch künstlich herstellen. Dabei wird Kohle mit sehr hohem Kohlenstoffanteil ( Anthrazit ) stark und unter großem Druck erhitzt.



Außerdem enthalten auch Ruß und Kohle eine enorme Anzahl an kleinen Graphitkristallen.



c)        Verwendung


Graphit wird zur Herstellung von Bleistiftminen gebraucht. Er wird dann mit Ton vermischt.

Auch werden Elektroden für elektrochemische Prozesse, bei denen korrodierende Gase abgegeben werden, aus Graphit hergestellt. Wegen der hohen Temperaturbeständigkeit werden auch Schmelzwannen aus Graphit hergestellt. Außerdem findet er in Form von Staub  Verwendung als Schmiermittel und in Industriefarben. Graphit wird auch als Moderator ( ("Bremse") in Kernreaktoren verwendet, wo man ihn in hochreiner Qualität benötigt. Graphit verlangsamt die beim Spaltprozeß entstehenden Neutronen, ohne diese einzufangen.





Fullerit (Fullerene)



a)      Eigenschaften


Fullerit ist transparent und gelb-bräunlich. Es ist weich wie Graphit und sehr elastisch. Würde es beispielsweise mit 27 000km/h (etwa die Umlaufgeschwindigkeit von Satelliten) auf eine Stahloberfläche geschleudert, dann würde es wie ein Gummiball wieder zurückprallen. Nach anfänglichen Berechnungen sollte es jedoch härter als Diamant sein, wenn es auf weniger als 70% seiner Größe komprimiert wird. Fullerit löst sich sehr leicht in Benzol (Benzol besteht aus sechs ringförmig angeordneten C-Atomen) und läßt sich wieder sehr leicht aus dieser Lösung extrahieren. Man könnte daher Fullerit als "kugelförmiges Benzol" bezeichnen (nach dem Gesetz: Gleiches löst Gleiches).

Das Fullerit ist aus Fullerenen aufgebaut. Es gibt viele verschiedene Größen von Fulleren. Angefangen vom Fulleren aus 20 Kohlenstoffatomen bis hin zum "Buckyriesen" mit 960 Kohlenstoffatomen. Es gibt nur Fullerene aus einer geraden Anzahl von C-Atomen.

Das häufigste und stabilste, das Buckminster-Fulleren, besteht aus 60 Stück. Sein Durchmesser beträgt etwa 1nm. Es besitzt die Form eines Fußballs, wobei die Nähte die Atombindungen sind. Wie ein Fußball besteht auch das Fulleren aus Sechsecken (20) und Fünfecken (15), damit ein rundes Gebilde entsteht. Somit sind die Fullerene die rundesten aller Moleküle und Cluster (Moleküle aus gleichen Atomen). Durch speziell angeordnete Einfach- und Doppelbindungen bleibt kein Außenelektron frei ( Einfachbindungen entlang der Fünfeckkanten und Doppelbindungen an den Ecken benachbarter Fünfecken). So sind alle 60 Kohlenstoffatome absolut gleichberechtigt und an der Oberfläche können sich auch keine Fremdatome wie z.B. beim Diamanten anheften.

Das Fullerit kristalliert im kubisch-flächenzentriertem Raum, die Fullerene sind so übereinander angeordnet, wie man am dichtesten Kugeln übereinanderlegen kann.

In Fullerene können auch je nach Größe Fremdatome mit Hilfe eines Laserstrahls eingebaut werden. Einige solcher präparierten Fullerene sind auch biologisch aktiv. Es besteht sogar die Hypothese, dass sie den Krebswachstum in einem Körper stoppen können, indem sie die aktiven Zentren der Krebsenzyme besetzen und damit ihre Wirkung hemmen können.



b)      Entstehung / Herstellung


Es wird angenommen das Fullerene im interstellaren Raum existieren (auch Metallfulleren-Moleküle; sie heißen Carbohedrene). Fullerene entstehen, wenn Kohlenstoff verdampft wird

und dann wieder kondensiert.

Es wurde auch ein Gerät entwickelt, um auch im Labor Fullerit herzustellen.

In diesem Gerät wird im Vakuum Graphit mit Hilfe eines Laserstrahls verdampft. Ein Strom aus gekühltem Helium wird nun über das Graphit mit dem entstehendem Kohlenstoffdampf geleitet. Nun kondensiert dieser Dampf darin und es bildet sich eine Art von Ruß mit hohem Anteil an Buckminster-Fullerenen. Dieses Produkt wird nun in Benzol aufgeschwämmt. Die entstandene Lösung destilliert man und erhält Fullerit. 

Außerdem ist es möglich, dass sich Fullerene in rußenden Flammen bilden können.

Die Fulleritproduktion ist im Allgemeinen nicht sehr teuer und wird in Zukunft etwa den Preis von Aluminium haben.



c)      Verwendung


Da die Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten noch nicht alle erforscht sind und sich noch in der Entwicklungsphase befinden, sind die folgenden Beispiele nur Prototypen.

Fullerit findet Verwendung in der Mikroelektronik. Wenn man z.B. ein röhrenförmiges Fulleren herstellt und Metallatome einfügt, erhält man einen rundum isolierten, mikroskopischen Draht.

Je nach Art der eingebauten Atome lassen sich Isolatoren, Halbleiter, Leiter oder Supraleiter herstellen.

Außerdem kann man Fullerit zum Herstellen von Batterien benutzten.




amorpher Kohlenstoff


a)        Eigenschaften


Amorpher Kohlenstoff ist schwarz und besteht aus Kohlenstoffatomen, die regellos angeordnet sind.



b)        Entstehung / Herstellung


Amorphen Kohlenstoff erhält man, wenn man z.B. Zucker unter Luftausschluß bei 900 erhitzt. Er befindet sich in unterschiedlicher Reinheit in Ruß und fossilen Brennstoffen.



c)        Verwendung


Aufgrund der schwarzen Farbe findet er Verwendung in Druck- und Anstrichfarben.

Außerdem wird er als Füllstoff in der Reifenindustrie benutzt.

Amorpher Kohlenstoff ist in fossilen Brennstoffen wie Kohle, Koks, und Erdöl als Energielieferant unentbehrlich.










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