Kohlenstoffmodifikationen

Wusstest du schon, dass deine Bleistiftmine und Diamanten aus dem gleichen Element bestehen? Doch wie kann Kohlenstoff zwei so unterschiedliche Materialien bilden, die sehr gegensätzliche Eigenschaften besitzen? Die Antwort ist recht simpel: Wir sprechen hier von Kohlenstoffmodifikationen, die sich in den Atombindungsverhältnissen unterscheiden.

Kohlenstoffmodifikationen: Definition von Modifikation

In der Chemie spricht man von einer Modifikation, wenn ein Stoff mit gleicher Zusammensetzung verschiedene Strukturen oder Erscheinungsformen ausbildet. In kristallinen Festkörpern zeigt sich das in der unterschiedlichen Anordnung der Atome, im sogenannten Kristallgitter. Aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der Atome in den Modifikationen haben diese auch andere physikalische Eigenschaften.

Elemente, die in unterschiedlichen Modifikationen vorkommen, nennt man auch allotrop.

Die Kohlenstoffmodifikationen

In der Natur kommen drei Kohlenstoffmodifikationen vor: Graphit, Diamant und Fullerene. Diese Kohlenstoffmodifikationen haben – im Fall von Graphit und Diamant – unterschiedliche Kristallstrukturen. Damit gehen auch die verschiedenen Eigenschaften von Graphit und Diamant einher.

Kohlenstoffmodifikationen: Graphit

Graphit ist in Bleistiftminen enthalten. Doch wie ist diese Modifikation aufgebaut?

Struktur von Graphit

Abbildung 1: Gitterstruktur des Graphits

Die Kohlenstoffmodifikation Graphit besteht aus Schichten von Kohlenstoff. Innerhalb einer Schicht des Graphits hat jeder Kohlenstoff drei Bindungsnachbarn. So bilden diese Kohlenstoffe im Graphit Sechserringe (Hexagon). Man sagt, die Kohlenstoffe haben eine trigonal-planare Koordination. Dafür steuert jeder Kohlenstoff drei seiner Valenzelektronen zur kovalenten Bindung mit den Nachbarn bei. Jede Schicht innerhalb des Graphits ist flach (planar).

Das vierte Elektron ist über oder unter der Ebene delokalisiert. Es hat also keine bestimmte Position (atomrumpfunabhängig). Die Schichten des Graphits sind miteinander über die schwachen Van-der-Waals-Kräfte verbunden. Sie verlaufen parallel zueinander und bilden die Basalebenen.

Die Kohlenstoffmodifikation Graphit hat richtungsabhängige mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften. Diese resultieren aus der starken kovalenten Bindungen innerhalb einer Schicht und den schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Schichten im Graphit. Hinzu kommen die delokalisierten π-Elektronen in den Ebenen. Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften des Graphits bezeichnet man auch als Anisotropie.

Wenn du an deinen Bleistift denkst, weißt du, dass Graphit weich und schmierig sein kann. Das liegt daran, dass die Schichten des Graphits an der Basalebene leicht abspaltbar sind. Nicht aber senkrecht zur Basalebene. In diese Richtung ist Graphit deutlich fester. Außerdem ist Graphit entlang der Basalebenen elektrisch und thermisch leitend, aber senkrecht zu den Basalebenen isolierend.

Kohlenstoffmodifikationen: Graphen

Graphen ist eigentlich keine separate Modifikation des Kohlenstoffs. Es handelt sich vielmehr um eine einzelne Graphitschicht.

Struktur von Graphen

Das Graphen ist eine Basalebene des Graphits. Es ist also eine einzige Atomlage. Folglich ist Graphen ein zweidimensionales Material. Wieder sind die Kohlenstoffe hier sp²-hybridisiert und bilden kovalente σ-Bindungen zu drei Nachbaratomen. Das vierte Elektron ist über und unter der Schicht delokalisiert. Man kann Graphen mechanisch gewinnen. Dazu kann man einfach ein Klebeband auf einen Graphitblock drücken und abziehen (Exfoliationsmethode).

Wenn man bedenkt, dass Graphen ein Material aus einer einzigen Atomlage ist, hat es sehr interessante Eigenschaften. Es hat eine 125-mal höhere Zugfestigkeit als Stahl, ist dennoch biegsam wie Gummi und dabei extrem leicht. So wiegt ein Quadratkilometer Graphen gerade einmal 757 Gramm. So heißt es auf der Webseite des Nobel Komitees (aus dem Englischen übersetzt):

Außerdem ist Graphen fast vollständig transparent, aber dennoch selbst für Helium-Atome undurchlässig. Auch hat es eine elektrische und thermische Leitfähigkeit entlang der Ebene, nicht aber vertikal. Das liegt an den delokalisierten $\mathrm{\pi }$-Elektronen.

Kohlenstoffmodifikationen: Diamant

Die wohl schönste und wertvollste Modifikation des Kohlenstoffs ist zweifelsohne der Diamant. Diamant ist das härteste Material der Welt und verhältnismäßig selten.

Struktur des Diamanten

Abbildung 4: Gitterstruktur des Diamanten

In der Kohlenstoffmodifikation Diamant sind die Kohlenstoffatome tetraedrisch koordiniert. Das bedeutet, dass jedes Kohlenstoffatom kovalente Bindungen mit vier Nachbaratomen ausbildet. Die Atome im Diamant sind sp³ hybridisiert. Somit handelt es sich bei den kovalenten Bindungen im Diamant um sp³-sp³-σ-Bindungen. Das Molekülorbital-Diagramm zeigt dir den Prozess der Hybridisierung.

Abbildung 5: MO-Diagramm Kohlenstoff und sp³-Hybridisierung

Abbildung 6: Die sp³-Hybridisierung

Eigenschaften des Diamanten

Aufgrund der hohen Bindungsenergie wegen der sp³-Hybridisierung, ist die Kohlenstoffmodifikation Diamant der härteste Stoff, der in der Natur vorkommt. Damit zusammenhängend hat Diamant auch einen sehr hohen Schmelzpunkt von ca. 4440 °C. Dies ist der höchste Schmelzpunkt eines Minerals. Diamanten sind Isolatoren. Das heißt, sie haben keine elektrische Leitfähigkeit, weil im Diamant keine freien Elektronen vorliegen. Diamanten sind allerdings die besten Wärmeleiter, die natürlich vorkommen. Reine Diamanten sind farblos. Doch es gibt auch z. B. gelbe oder rote Diamanten. Diese Farbe kommt von Fremdatomen, die im Diamant eingelagert sind.

Kohlenstoffmodifikationen: Fullerene

Verbindungen des Kohlenstoffs können tatsächlich aussehen wie winzige Fußbälle. Hier handelt es sich um sogenannte bucky balls.

Struktur der Fullerene

Abbildung 7: Struktur des Buckminsterfullerens

Das Besondere an dieser Kohlenstoffmodifikation ist, dass die Kohlenstoffe hohle Strukturen bilden. Das bekannteste Fulleren ist das C₆₀-Molekül, welches auch Buckminsterfulleren oder bucky ball genannt wird. Diese Ball-artigen Strukturen entstehen dadurch, dass die Kohlenstoffe in Fünf- und Sechsecken angeordnet sind, wobei sich die Anzahl dieser zwischen allotopen Fullerenen unterscheidet. Das Buckminsterfulleren besteht aus 20 Kohlenstoffsechs- und 12 Kohlenstofffünfecken, wobei jedes Fünfeck von 5 Sechsecken umgeben ist. Wie bei Graphen sind die Atome hier auch sp²-hybridisiert, allerdings ist das vierte Elektron hier über der Bindung lokalisiert.

Eigenschaften der Fullerene

Fullerene sind eine in Ruß vorkommende Kohlenstoffmodifikation. Es ist die einzige Kohlenstoffmodifikation, die in organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Toluol löslich ist. Daneben weisen Fullerene eine hohe Reaktivität auf, weshalb sie leicht andere Atome binden können. Da sie hohl sind, können sie auch Atome und Moleküle einschließen. Im Gegensatz zum Graphen haben Fullerene keine elektrische Leitfähigkeit.

Kohlenstoffmodifikationen: Nanoröhren

Struktur der Nanoröhren

Zur Familie der Fullerene gehören die Kohlenstoffnanoröhren (englisch carbon nanotubes, CNT). Sie bestehen aus einer Graphen-Ebene, die zu einer Röhre gerollt ist. Die Kohlenstoffe sind in Sechsecken angeordnet und sp²-hybridisiert. Dabei wird zwischen einwandigen (englisch single wall CNT, SWCNT) und mehrwandigen (englisch multi wall CNT, MWCNT), sowie offenen und geschlossenen Röhren differenziert.

Eigenschaften der Nanoröhren

Innerhalb der Röhre hat man, je nach Struktur, einen metallischen oder halbleitenden Charakter. Im Vergleich zu Stahl mit einer Dichte von 7,85 g/cm³ und einer Zugfestigkeit von 2 GPa, haben CNTs sowohl eine geringere Dichte (SWCNT: 1,3-1,4 g/cm³, MWCNT: 1,8 g/cm³), als auch eine höhere Zugfestigkeit (SWCNT: 30 GPa, MWCNT: 63 GPa). Im Vergleich zum Diamant haben CNT eine 2,5-mal höhere Wärmeleitfähigkeit.

Tabelle zur Verwendung der Kohlenstoffmodifikationen