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Graphit, Diamant und Si-B-N-C-Keramiken Prof. Dr. Robert Glaum Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn [email protected] http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de

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

Prof. Dr. Robert Glaum

Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn

[email protected]

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

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Diamant und Graphit

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Graphit

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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

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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

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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)

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Graphit-Intercalationsverbindungen

AC8

bis AC60

:

schichtweiser

Einbau

CFn

n ≤

1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ

< 970 °C

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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)

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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)

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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!

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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

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CVD-Synthese von Diamant

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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

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Anwendung von Diamant

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Diamant: Anwendungen

Hartstoff

(Schneid-

und Schleifwerkzeuge)

Kratzschutz

(Uhrgläser)

Optische Anwendungen

(Lichtbrechung, Lichtdurchlässigkeit)

Schmuck

(Verarbeitung, Schleifen?)

Thermischer Leiter

(Substrat für Halbleiter)

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Bindungsenthalpien

(kJ·mol−1)

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

Doppelbindungsregel

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SiBNC-Keramik

Sehr hohe Bindungsenergien!

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

Herausragende thermo- mechanische Eigenschaften!

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SiBNC-Keramik

Keine nachträgliche Bearbeitung (thermisch, mechanisch) möglich!

Pyrolyse von single-source

Precursoren

(Vorläuferverbindungen)

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

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SiBNC-Keramik

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

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SiBNC-Keramik

Molekulare Zwischen- stufen und Precursoren

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Vom Molekül zur Keramik

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

Moderne Anorganische Synthesechemie!

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Beispiele für Reaktionsfolgen

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Graphen und Fullerene

Angew. Chemie 2006, 118, 4350.