Graphit, Diamant und Si-B-N-C-Keramiken

Prof. Dr. Robert Glaum

Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn

rglaum@uni-bonn.de

http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de

2

Diamant und Graphit

3

Graphit

http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de

Schichtabstand: 335 pm

d(C-C) = 142 pm

d(C-C, Ethan) = 154 pm

d(C-C, Ethen) = 134 pm

d(C-C, Benzol) = 139 pm

sp2-Hybridisierung

van der Waals

-

WW

zwischen den Schichten

stark anisotrope

physikalische Eigenschaften

Kristallsystem: hexagonal

a

= 246,4 pm; c

= 671,1 pm

4

Diamant

Verwandte Kristallstrukturen: Silicium, Germanium (isotyp), SiC

III/V-Halbleiter (BN, GaAs, AlP, …)

II/VI-Halbleiter (ZnSe, PbTe, …)

d(C-C) = 154 pm

sp3-Hybridisierung

isotrope

physikalische

Eigenschaften

Kristallsystem: kubisch

a

= 356,7 pm

Hexagonaler Diamant (Lonsdaleit; vgl. Wurtzit

ZnS)

hex. dichteste Packung

0,0,0

0,0,1

1/2,0,1/2

1/4,1/4,1/4

3/4,1/4,3/4

5

Graphit-Intercalationsverbindungen

KC8

: Reaktion K(fl.), metallisch

CFn

n ≤

1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ

< 970

°C

Cx

(SO4

); Cx

(NO3

): Ox. mit Oleum

od. Nitriersäure

Bandstruktur Graphit (schematisch)

6

Graphit-Intercalationsverbindungen

AC8

bis AC60

:

schichtweiser

Einbau

CFn

n ≤

1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ

< 970 °C

7

Graphit: Anwendungen

Elektroden

(Al-Schmelzflusselektrolyse)

Absorbentien

(Einlagerungsfähigkeit)

Tiegelmaterial

(Glaskohlenstoff; Übergang zu Diamant)

Füllstoff, Schwarzpigment

(Ruß)

Schmiermittel

(Verschiebbarkeit der Schichten, Gleitfähigkeit)

Elektrischer Leiter

(Zusatz in heterogenen Gemengen)

8

Diamant

Brillantschliff

1 Karat (ct) = 200 mg

Schmelztemperatur: 3550 °C

Bei ϑ

> 1500 °C Übergang in Graphit (Luftausschluss)

Natürliche Wachstumsformen:

Oktaeder, Tetraeder, Dodekaeder

Farbige Diamanten:

Baufehler oder Dotierungen

(z. B.: gelb durch N-Einbau)

9

Diamant

Wärmeleitfähigkeit 5x besser

als von Silber!

Elektrische Leitfähigkeit:

Isolator (Eg

~ 5,5 eV)

C(Diamant) →

C(Graphit)

ΔRG °(298 K) = –2,9 kJ·mol–1

Sehr hohe Härte!

Phasendiagramm Kohlenstoff

Synthese von Diamanten:

1) HPHT Synthese:

hoher Druck, hohe Temperatur

2) Catalytic

HPHT Synthese:

hoher Druck, hohe Temperatur,

Metallschmelze

3) Shock

Wave Synthese:

hoher Druck, hohe Temperatur,

liefert hex. Diamanten

4) CVD Synthese:

Diamantsynthese ausserhalb

von dessen thermodynami-

schem

Stabilitätsgebiet

11

CVD-Synthese von Diamant

12

CVD-Synthese von Diamant

Diamant aus CVD (Chemical Vapor

Deposition); ϑ

< 1000 °C;

aus Methan, Wasserstoff im Plasma (Graphit wir selektiv

aufgelöst)

Dichte: 3,52 g·cm–3

(Diamant)

2,26 g·cm–3

(Graphit)

Ostwaldsche Stufenregel

Ostwald-Vollmer-Regel

13

Anwendung von Diamant

14

Diamant: Anwendungen

Hartstoff

(Schneid-

und Schleifwerkzeuge)

Kratzschutz

(Uhrgläser)

Optische Anwendungen

(Lichtbrechung, Lichtdurchlässigkeit)

Schmuck

(Verarbeitung, Schleifen?)

Thermischer Leiter

(Substrat für Halbleiter)

15

Bindungsenthalpien

(kJ·mol−1)

C. E. Housecroft, A. G. Sharpe, Anorganische Chemie, Pearson Studium, 2006.

Doppelbindungsregel

16

SiBNC-Keramik

Sehr hohe Bindungsenergien!

H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.

Herausragende thermo- mechanische Eigenschaften!

17

SiBNC-Keramik

Keine nachträgliche Bearbeitung (thermisch, mechanisch) möglich!

Pyrolyse von single-source

Precursoren

(Vorläuferverbindungen)

H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.

18

SiBNC-Keramik

H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.

19

SiBNC-Keramik

Molekulare Zwischen- stufen und Precursoren

20

Vom Molekül zur Keramik

H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.

Moderne Anorganische Synthesechemie!

21

Beispiele für Reaktionsfolgen

Graphen und Fullerene

Angew. Chemie 2006, 118, 4350.