Allotrope Kohlenstoffmodifikationen

Stephan Muesmann 21.05.2010

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Übersicht Was ist Allotropie? Graphit Diamant Lonsdaleit Fullerene

→ Carbon Nanotubes

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Allotropie unterschiedliche Modifikationen eines Elements unterschiedliche physikalische und chemische

Eigenschaften identische

Zusammensetzung

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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)

Graphit

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Graphit Struktur und

Bindungsverhältnisse übereinandergelagerte, ebene

Kohlenstoffschichten hexagonale Ringe mit sp² –

Hybridisierung Bindungsordnung beträgt

1 1/3 (Bindungslänge 142 pm)

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Graphit Gewinnung

Aufreinigung von natürlichem Graphit thermische Zersetzung fossiler Brennstoffe

Verwendung feuerfeste Produkte (z.B. Tiegel) Schutzanstrichte für Hochöfen Einsatz als Bleistiftmine

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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)

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Diamant Struktur und

Bindungsverhältnisse sp³ – Hybridisierung des

Kohlenstoffs tetraedrische Umgebung

(Abstand 154 pm) kubischer Diamant

entspricht Zinkblende (ZnS) Zinkblende – Struktur

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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

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Lonsdaleit seltene Form des

Kohlenstoff 1967 von K. Lonsdale

entdeckt hexagonaler Diamant

Entstehung bei Graphit - Umwandlung

WannenkonformationSesselkonformation

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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

C60 - Fulleren

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Fullerene Struktur und

Bindungsverhältnisse bildet eine

„Molekülstruktur“ sp² – Hybridisierung der

C – Atome→ 3 – dimensionale

Ausdehnung der π - Bindungen

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Fullerene Gewinnung

dampfförmiges Graphit thermodynamisch abschrecken

Abtrennung aus Ruß mit Toluol

natürliche Vorkommen sind Shungit und Fulgurit

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Fullerene Verwendung

Forschung an Anwendungen für Fullerene→ z.B. bei CNT – Carbon Nanotubes

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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

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CNT – Carbon Nanotubes Herstellung

Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden

→ mit Katalysatoren entstehen SW-CNT

per CVD → ganze Felder per Laser - Ablation

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CNT – Carbon Nanotubes Anwendungen

Elektroindustrie (Nanoprozessoren)

Messtechnik (Rastertunnelmikroskope)

Verbesserung von Kunststoffen

Medizin: Transport von Substanzen, Genen und Antigenen

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CNT – Carbon Nanotubes Gesundheitliche

Auswirkungen bisher nicht

eindeutig geklärt Asbestähnliche

Strukur → Vermutung auf Cancerogenität

Toxizität der Katalysatorreste

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Quellen A.F Hollemann E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Auflage

1995, Walter de Gruyter http://www.paultownend.com/photos/montreal/montreal13.jpg http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/grund/20_Kohlenst_1.pdf http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/nichtmetalle_7_1.html http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw_for_et/kap_3/backbone/r3_2_2.html http://www.seilnacht.com/Lexikon/tnkohlfu.JPG http://www.ham-tools.com/uploads/pics/diamantbohrer.jpg http://www.bmwfj.gv.at/EnergieUndBergbau/MineralischeRohstoffe/industriem

inerale/PublishingImages/Grafit_1.jpg http://www.biorg.uu.se/Forskning/HelenaG/images/Allotropes.jpg http://www.chempage.de/versuche/EC/EC%20002/velektrolyse3.jpg http://www.appliedspectra.com/assets/Laser-Ablation-flat-black-bg-big.jpg

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