Kohlenstoffmodifikationen: Diamant, Graphit und weitere

Kohlenstoffatome sind besonders, weil sie mit ihren vier Valenzelektronen Elektronenpaarbindungen zu vielen weiteren Kohlenstoffatomen eingehen können und dabei sogenannte Makromoleküle bilden. Diese können ganz unterschiedliche Erscheinungsformen haben, wie beispielsweise Graphit oder Diamant. Unterschiedliche Erscheinungsformen von Stoffen gleicher chemischer Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Struktur werden Modifikationen genannt.

Diamant

Diamanten kommen in der Natur selten vor und sind deshalb begehrte Modifikationen des Kohlenstoffs. Die vier Valenzelektronen eines Kohlenstoffatoms gehen mit vier weiteren Kohlenstoffatomen Elektronenpaarbindungen ein. Durch die tetraedrische Anordnung der vier Bindungen entsteht ein dreidimensionales Kristallgitter. Elektrischer Strom wird in einem Diamanten nicht geleitet, weil alle Valenzelektronen für die Bindungen genutzt werden und damit lokalisiert sind. Durch die hohe Bindungsenergie der Kohlenstoffatome besitzen Diamanten eine extrem hohe Schmelztemperatur von $3550°C$ und die charakteristische Härte, weshalb sie in der Industrie häufig für Schleif- und Bohrwerkzeuge genutzt werden. Geschliffene Diamanten werden Brillanten genannt und sind je nach Schliff wegen ihrer enormen Lichtbrechung begehrte Schmucksteine.

Chemie; Chemische Bindung; 3. Gymi; Kohlenstoffmodifikationen: Diamant, Graphit und weitere

Graphit

Graphit ist eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs und ist ein dunkelgrauer, glänzender und sehr weicher Stoff. Im Gegensatz zum Diamanten bilden nur drei der vier Valenzelektronen Elektronenpaarbindungen aus. Das Graphitgitter ist aus Sechsringen aufgebaut, die wie wabenartige Schichten aussehen. Das vierte Valenzelektron ist delokalisiert, also zwischen den Schichten frei beweglich, ähnlich wie in Metallbindungen. Deshalb kann Graphit elektrischen Strom leiten. Zwischen den Schichten wirken schwache Van-der-Waals Kräfte, weshalb sie relativ weit auseinander liegen und gegenseitig verschiebbar sind. Graphit ist leicht spaltbar und färbt ab, was man sich beispielsweise mit der Graphitmine eines Bleistifts zunutze macht. Es wird aber auch als Schmiermittel in der Industrie verwendet.

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Fulleren

Fullerene ist eine weitere kristalline Modifikation des Kohlenstoffs. Es unterscheidet sich zu Graphit und Diamant, weil es aus kugelförmigen Molekülen besteht, mit einer eindeutig begrenzten Anzahl an Kohlenstoffatomen. Am bekanntesten ist das $C_{60}$ -Fulleren, in dem $60$ Kohlenstoffatome über Elektronenpaarbindungen in einer einzigen Schicht von Atomen miteinander verbunden sind. Sie liegen auf der Oberfläche einer Kugel und bilden dabei $12$ Fünfecke und $20$ Sechsecke. Weitere Fullerene sind beispielsweise $C_{70}$ , $C_{84}$ , $C_{86}$ oder $C_{90}$ .
Wie beim Graphit bilden nur drei der vier Valenzelektronen Elektronenpaarbindungen aus. Das freie Elektron ist aber hier nicht frei beweglich, sondern in den Bindungen zwischen den Sechsecken lokalisiert. Dabei wechseln sich zwischen den Kohlenstoffatomen Einfach- und Doppelbindungen ab. $C_{60}$ -Kristalle sind Halbleiter, da die Elektronen der Doppelbindungen in Wechselwirkung treten können.
In Fullerenen liegen die Moleküle in einer dichtesten Kugelpackung zusammen. Der Zusammenhalt kommt durch die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zustande. Eigentlich wären Fullerenkristalle hart, aber weil sie aus komprimierbaren Hohlkugeln bestehen, sind sie weich und elastisch, was eine untypische Eigenschaft von Kristallen ist.

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Russ

Bei unvollständigen Verbrennungen entsteht Russ, welches aus kleinsten Kohlenstoffpartikel entsteht, die in ihrer Struktur häufig Graphit ähneln. Aufgrund ihrer kleinen Grösse gehört Russ zu den sogenannten Nanokohlenstoffmaterialien. Diese sind für die Industrie und Technik von grösstem Interesse, weil sie für völlig neue Anwendungen verwendet werden können, beispielsweise als Füllstoff im Gummi von Autoreifen, als Pigment in Kopierern und Lacken oder als antistatischer Zusatz in Kunststoffen.

Nanomaterialien

Nanomaterialien sind Partikel, die kleiner als $100$ Nanometer sind ( $1nm=10^{-9}m$ ). Russpartikel haben beispielsweise einen Durchmesser zwischen $10$ und $300nm$ , ein Fullerenmolekül sogar nur $0.7nm$ .
Je kleiner die Grösse des Partikels, desto grösser die Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Das führt zu einer viel grösseren Reaktionsfähigkeit sowie anderen physikalischen Eigenschaften.

Graphen

Graphen besteht aus einer extrem dünnen Schicht aus Kohlenstoffatomen. Es kann mit einer einfachen Klebefolie hergestellt werden, die man auf einen Graphitblock aufklebt und dann schnell wieder abzieht. Die Kohlenstoffatome sind in einem flachen, riesigen Molekül in regelmässigen Sechsecken angeordnet. Dass Graphen aus nur einer einzigen Schicht Kohlenstoffatomen besteht, macht seine Eigenschaft so besonders. Wie Graphit besitzt Graphen delokalisierte Elektronen und hat deshalb eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Es ist weniger als einen Nanometer dick, sehr leicht und flexibel, aber viel reissfester als Stahl. Noch ist Graphen ein Forschungsmaterial, könnte aber schon bald in der Zukunft in der Computertechnologie oder als Ersatzstoff für Silicium in Mikrochips und Solarzellen eingesetzt werden.

Fulleren und Carbon Nanotubes

$C_{60}$ -Fulleren wurde erstmals hergestellt, indem Graphit mit einem Laser bestrahlt wurde. Man kann es aber auch in grösseren Mengen aus Russpartikeln gewinnen, welche entstehen, wenn Graphit im Lichtbogen verdampft. Während diesem Vorgang können aber auch sogenannte Carbon Nanotubes (Kohlenstoffnanoröhrchen) entstehen.
Carbon Nanotubes bestehen aus Graphitschichten, die zu Röhrchen geformt werden. Diese können auch mehrwandig sein und haben in der Regel einen Durchmesser von $5$ bis $100nm$ . Sie können Wärme als auch elektrischen Strom leiten, sind biegsam und sehr reissfest bei einer extrem geringen Dichte. Die Zugfestigkeit von Carbon Nanotubes ist etwa $50$ Mal höher als die von Stahl. Daraus lassen sich Verbundwerkstoffe herstellen, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik. Es wird aber auch daran geforscht, die Carbon Nanotubes in der Medizin einzusetzen, beispielsweise als Transportmittel von Pharmazeutika, Impfstoffen oder als Teil von Biosensoren.

Weitere Nanomaterialien

Mittlerweile gibt es unfassbar viele Nanomaterialien, welche zum einen schon vielseitig in der Industrie genutzt werden oder woran noch geforscht wird. Weitere bekannte Beispiele für Nanopartikel sind Titanoxid und Silber. Nanotitanoxid wird in Sonnencremes verwendet, da es ultraviolette Strahlung absorbiert und somit Hautschädigungen verhindert. Nanosilber wirkt antimikrobiell und wird häufig in Textilien und in Kosmetika, aber auch in der Medizin eingesetzt.

Risiken der Nanotechnologie

Nanomaterialien sind sehr begehrt und teilweise extrem vielseitig einsetzbar und günstig, wie beispielsweise Silikapartikel. Die Erforschung, Produktion und Verwendung von Nanomaterialien nennt man auch Nanotechnologie, welche immer mehr an Bedeutung gewinnt. Allerdings gibt es auch viele Bedenken bezüglich der Risiken für Mensch und Natur. Die Gefahren und Schäden von Nanopartikel sind teilweise noch zu wenig erforscht. Nanotubes ähneln strukturell den verbotenen und krebserregenden Asbestfasern. Wenn diese Fasern in die Lunge gelangen, kann das zu schweren Entzündungen führen und aufgrund ihrer chemischen Stabilität werden sie nicht abgebaut, sondern gelangen in das Grundwasser oder in die Luft. Es gibt bereits Studien über die Folgen von Nanotitanoxid und Nanosilber, welche schädlich für ökologisch wertvolle Tiere und Bakterien sind, sobald sie im Wasser landen. Allerdings sind langfristige Folgen für die Umwelt noch nicht absehbar, weshalb weitere Forschung, sowie strenge Kontrollen unumgehbar sind.