C Das Kohlenstoffatom + 6 H Einfachbindung 4 H Doppelbindung 2 H LMK = Linker-Maus-Klick (LMK-1) Das Kohlenstoff-Atom hat vier Valenzelektronen. (LMK-2) Damit ist der Kohlenstoff in der Lage, Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen auszubilden. (LMK-3) Betrachten wir die Bildung einer Einfachbindung zwischen zwei Kohlenstoff-Atomen. (LMK-4) Jedes Kohlenstoff-Atom besitzt danach noch drei freie Valenzelektronen. Diese können Bindungen zu anderen Atomen ausbilden. (LMK-5) Zum Beispiel zu Wasserstoff-Atomen. (LMK-6) (LMK-7) Betrachten wir die Bildung einer Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoff-Atomen. (LMK-8) Wenn zwei Kohlenstoff-Atome eine Doppelbindung eingehen, verbleiben noch jeweils zwei freie Valenzelektronen für die Ausbildung weiterer Bindungen. (LMK-9) (LMK-10) Zwei Kohlenstoff-Atome können auch eine Dreifachbindung eingehen. (LMK-11) Es verbleibt danach noch je ein freies Valenzelektron für die Ausbildung weiterer Bindungen (LMK-12) (LMK-13, nächste Seite) 2 H Dreifachbindung

ein abgeschlossenes C2-Molekül ist nicht möglich die Modifikationen des Kohlenstoffs bestehen aus ausgedehnten Atomverbänden Es sind drei Kohlenstoff-Modifikationen bekannt: Graphit Diamant Fulleren Ein abgeschlossenes C2-Molekül ist also nicht möglich. Sie erinnern sich: Es gibt keine Vierfachbindungen. (LMK-1) Die Modifikationen des Kohlenstoffs bestehen daher aus ausgedehnten Atomverbänden, die an ihrer Oberfläche durch Unregelmässigkeiten abgeschlossen werden. Solche Unregelmässigkeiten sind z. B. Bindungen zu Fremdatomen wie Wasserstoff. (LMK-2) Bis vor wenigen Jahren waren zwei Kohlenstoff-Modifikationen bekannt: Graphit und Diamant. 1985 wurde die dritte Modifikation des Kohlenstoffs entdeckt: die Fullerene. Dafür erhielten die Entdecker 1996 den Chemie-Nobelpreis. Im folgenden werden wir die Strukturen der drei Kohlenstoff-Modifikationen etwas genauer betrachten. Beginnen wir mit dem Graphit. (LMK-3, nächste Seite) Quelle Graphit: http://www.min.uni-bremen.de/cgi-bin/Minkab.cgi?de&pics_1/1_054.jpg Diamant: http://www.uni-heidelberg.de/institute/fak15/min/images/diamant.jpg

Die Struktur des Graphits Graphit besteht aus einer Schichtstruktur. (LMK-1) Im Graphit sind regelmässige, ebene Sechsringe wie Blätterteigschichten übereinander gelegt. (LMK-2) In einer Schicht ist jedes Kohlenstoff-Atom mit drei anderen kovalent verbunden. Für diese kovalenten Bindungen werden jeweils drei der vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs benötigt. (LMK-3) Die „vierten“ Valenzelektronen bauen ein über die ganze Schicht reichendes delokalisiertes Elektronensystem auf. (LMK-4) (LMK-5, nächste Seite) Quelle Schichtstruktur: Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988, 9. Auflage; (Salle & Sauerländer). Graphit besteht aus einer Schichtstruktur

Was sind delokalisierte Elektronen? Metallbindung Graphit Was versteht man unter delokalsierten Elektronen? Sie erinnern sich bestimmt noch an die Metallbindung. (LMK-1) Bei der Metallbindung können sich die Valenzelektronen der Metalle frei im Gitter bewegen. Beim Graphit sieht es ähnlich aus. (LMK-2) Jedes Kohlenstoff-Atom besitzt jeweils ein freies Valenzelektron. (LMK-3) Diese können sich horizontal in der Schicht frei bewegen. Eine vertikale Bewegung zu den Schichten ist jedoch nicht möglich. (LMK-4, nächste Seite) Quelle Metallbindung: Chemie heute - Sekundarbereich I, Gesamtband. Hannover 2001, Druck A; (Schroedel Verlag GmbH). Graphit: Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988, 9. Auflage; (Salle & Sauerländer). Die Valenzelektronen der Metall-Atome können sich frei im Gitter bewegen Pro Kohlenstoff-Atom kann sich jeweils ein Valenzelektron frei in der Schicht bewegen.

Vorkommen & Herstellung von Graphit Natürlicher Graphit China Korea Indien Abbau: 600‘000 Tonnen pro Jahr Künstlicher Graphit Wird durch Pyrolyse von Kohle und Erdöl gewonnen. Pyrolyse = Erhitzen unter Luftausschluss Wo kommt Graphit vor, oder wie stellt man ihn her? (LMK-1) Natürlicher Graphit kommt vor allem in China, Korea und Indien vor. Pro Jahr werden weltweit ungefähr 600‘000 t abgebaut. (LMK-2) Graphit lässt sich aber auch durch Pyrolyse von Kohle und Erdöl gewinnen. Unter Pyrolyse versteht man das Erhitzen unter Luftausschluss. Auf diese Weise werden weltweit mehrere Millionen Tonnen Graphit hergestellt. (LMK-3, nächste Seite) Quelle Welt-Karte: http://www.flatland.org/erewhon/travel/ Produktion: Mehrere Millionen Tonnen pro Jahr

Schmiermittel (pulverförmig) Verwendung des Graphits Schmiermittel (pulverförmig) Bremsbeläge Graphit Graphit findet im Alltag eine breite Anwendung. (LMK-1) Er wird nicht nur für Bleistiftminen verwendet. Aufgrund seiner Weichheit eignet sich pulverförmiger Graphit sehr gut als Schmiermittel. Dank seiner Hitzebeständigkeit verwendet man ihn auch für die Herstellung von Bremsbelägen und feuerfesten Tiegeln. Aus künstlich hergestelltem Graphit werden vor allem Elektroden gemacht. (LMK-2, nächste Seite) Quellen: Graphit: http://www.min.uni-bremen.de/cgi-bin/Minkab.cgi?de&pics_1/1_054.jpg Bleistift: http://www.jr-webdesign.de/ texte.html Graphit-Pulver: http://www.htucarbon.com/op.htm Bremsen: http://www.hobbyetc.com/cgi-bin/ item.cgi?part_id=1449 Tiegel: http://www.athleticon-austria.com/ prod00.htm Elektrode: http://www.globalsilicon.com/graphite.htm Elektroden feuerfeste Tiegel Bleistiftminen

Die Struktur des Diamanten 109 ° Betrachte wir nun die Struktur des Diamanten. Im Diamantgitter ist jedes Kohlenstoffatom mit vier andern kovalent verbunden. (LMK-1) Die vier Bindungen ordnen sich dabei tetraedrisch an. Somit besteht zwischen allen Bindungen ein Winkel von 109°. (LMK-2) Im Gegensatz zum Graphit werden also alle vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs für kovalente Bindungen verwendet. Es entsteht ein unendliches Gitter kovalent gebundener Kohlenstoff-Atome. (LMK-3) (LMK-4, nächste Seite) Quelle Diamant: Christen H. R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. Frankfurt am Main 1988, 9. Auflage; (Salle & Sauerländer). Im Diamantgitter werden alle vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs für kovalente Bindungen verwendet

Vorkommen & Herstellung von Diamanten Natürlicher Diamant Südafrika Brasilien Sibirien Wird aus dem Mineral Kimberlit gewonnen Künstlicher Diamant Wird aus Graphit bei hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt. Wo kommt Diamant vor, oder wie stellt man ihn her? (LMK-1) Natürlicher Diamant wird aus dem Mineral Kimberlit gewonnen. Kimberlit findet sich vor allem in Südafrika, Brasilien und Sibirien. (LMK-2) Künstlicher Diamant kann aus Graphit bei sehr hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt werden. Man erhält dadurch sehr kleine Diamanten von ungefähr 1mm Durchmesser. (LMK-3, nächste Seite) Quelle Welt-Karte: http://www.flatland.org/erewhon/travel/

Verwendung von Diamanten Glasschneider Chip-Beschichtung Diamant Diamant findet ebenfalls eine breite Anwendung im Alltag. (LMK-1) Er ist nicht nur als Schmuckstein begehrt. Aufgrund seiner Härte wird Diamant in Bohrmaschinen und Glasschneidern verwendet. Diamant leitet die Wärme, aber nicht den elektrischen Strom. Daher wird er neuerdings zur Beschichtung von Computer-Chips verwendet. Dort ist das Ableiten der entstehenden Wärme äusserst wichtig. (LMK-2, nächste Seite) Quellen Diamant: http://www.uni-heidelberg.de/institute/fak15/min/images/diamant.jpg Ring: http://www.guildford.org.uk/christmas-guide/page4.html Glasschneider: http://nt.bnt.com/talas/menu.html?category=165 Bohrmaschine: http://www.alptransit.ch/d/01/index.htm Chip: http://www.wolf-gruppe.com/beschichtung/ Bohrmaschinen Schmuck

Die Struktur des Fulleren C60 Herstellung von Fulleren In einer Heliumatmosphäre wird Graphit im elektrischen Lichtbogen verdampft Der entstehende Russ enthält bis zu 15% Fulleren Betrachten wir die dritte und letzte Modifikation des Kohlenstoffs: die Fullerene. Im Fulleren schliessen sich die Kohlenstoff-Atome zu regelmässigen Fünf- oder Sechsringen zusammen. (LMK-1) Jedes Kohlenstoff-Atom ist kovalent mit drei anderen verbunden. (LMK-2) Ähnlich zum Graphit sind die „vierten“ Valenzelektronen ungebunden. Sie bilden ein über die ganze Schicht delokalisiertes Elektronensystem. (LMK-3) Fullerene werden aus Graphit hergestellt. Dieser wird dabei in einer Heliumatmosphäre im elektrischen Lichtbogen verdampft. Der entstehende Russ enthält bis zu 15 % Fulleren, das mit Toluol ausgewaschen werden kann. Ein Gramm Fulleren C60 kostet heute ungefähr CHF 500.- (LMK-4, nächste Seite) 1 Gramm Fulleren kostet zirka CHF 500.-

Mögliche Verwendung von Fullerenen Ionenantrieb Supraleiter Fulleren Konkrete praktische oder technische Anwendungen für Fullerene gibt es zur Zeit noch nicht. (LMK-1) Ob sich Fullerene für Ionenantriebe, Supraleiter, Solarzellen oder zur Krebstherapie verwenden lassen, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. (LMK-2, Ende der Diashow) Quellen Infusion: www.medac.de/krankheitsbilder/krebs/krebs.html Supraleiter: www.deutsches-museum.de/info/veranst/veranst.htm Solarzellen: http://www.chem.ethz.ch/D-CHEM-Communications/molmix/molmix1/fullerene.html Ionenantrieb: http://www.jpl.nasa.gov/technology/features/ion.html Krebstherapie Solarzellen