3D Viewer: Diamant und Graphit – die Modifikationen des Kohlenstoffs
Diamant, Graphit, Fulleren und Nanoröhre – gleiches Element, verschiedene Strukturen
Warum ist Diamant hart und Graphit weich, obwohl beide nur aus Kohlenstoff bestehen?
Struktur
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Aufgaben
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Modifikationen des Kohlenstoffs
Diamant, Graphit und Fulleren bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff-Atomen. Sie unterscheiden sich allein darin, wie diese Atome angeordnet und verknüpft sind – und gerade daraus folgen völlig verschiedene Eigenschaften. Solche Erscheinungsformen desselben Elements heißen Modifikationen.
Diamant
Jedes Kohlenstoff-Atom ist über vier Elektronenpaarbindungen mit vier Nachbarn verbunden; die Bindungswinkel betragen 109,5°, der Abstand 154 pm. Das Bindungsnetz zieht sich ohne Unterbrechung durch den ganzen Kristall.
Eine Verformung würde bedeuten, in jeder Raumrichtung Elektronenpaarbindungen zu brechen. Deshalb ist Diamant der härteste natürlich vorkommende Stoff und geht erst bei sehr hoher Temperatur in die Gasphase über. Da alle Außenelektronen in Bindungen zwischen zwei Atomen festgelegt sind, gibt es keine beweglichen Ladungsträger: Diamant leitet den elektrischen Strom nicht.
Graphit
Die Atome bilden ebene Sechsecknetze; jedes Atom hat drei Nachbarn, die Bindungswinkel betragen 120°. Innerhalb einer Schicht sind die Atome 142 pm voneinander entfernt, zwischen den Schichten dagegen 335 pm – also mehr als doppelt so weit. Auf diese Entfernung können keine Elektronenpaarbindungen mehr wirken, sondern nur noch schwache zwischenmolekulare Kräfte.
Genau darauf beruhen die Eigenschaften: Die Schichten lassen sich leicht gegeneinander verschieben und voneinander ablösen, weshalb Graphit weich ist, als Schmiermittel dient und im Bleistift Spuren auf dem Papier hinterlässt. Die Bindungen innerhalb der Schichten bleiben dabei unversehrt; sie sind sogar kürzer und fester als im Diamant.
Jedes Kohlenstoff-Atom besitzt außerdem ein Elektron, das nicht zwischen zwei bestimmten Atomen festgelegt, sondern über die gesamte Schicht verteilt ist. Diese beweglichen Elektronen machen Graphit längs der Schichten elektrisch leitfähig. Quer dazu müssten sie den großen Schichtabstand überwinden – in dieser Richtung leitet Graphit deshalb kaum.
Fulleren C60
Das Fulleren-Molekül ist ein geschlossener Käfig aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken, ähnlich einem Fußball. Aus lauter Sechsecken ließe sich keine geschlossene Fläche bauen; erst die Fünfecke erzeugen die Krümmung. Jedes Atom hat drei Nachbarn, die Bindungen sind unterschiedlich lang: An der Grenze zweier Sechsecke betragen sie etwa 139 pm, an der Grenze zwischen Sechseck und Fünfeck etwa 145 pm.
Anders als Diamant und Graphit ist C60 ein abgeschlossenes Molekül aus genau 60 Atomen. Der feste Stoff besteht aus solchen Molekülen, die untereinander nur durch schwache zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten werden. Deshalb ist er weich, geht schon bei etwa 600 °C in die Gasphase über und löst sich sogar in manchen Lösungsmitteln, etwa in Toluol.
Nanoröhre
Eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist eine aufgerollte Sechseckschicht – gebaut wie eine einzelne Graphit-Schicht, aber zu einem Zylinder geschlossen. Entlang der Röhre verlaufen durchgehende Elektronenpaarbindungen; das macht sie bei sehr geringer Masse außerordentlich zugfest. Je nach Aufrollrichtung leitet sie den elektrischen Strom.
Darstellung: Alle Strukturen sind aus den Gitterparametern berechnet. Gezeigt wird jeweils ein Ausschnitt; an dessen Rändern fehlen deshalb Bindungspartner, die im vollständigen Kristall vorhanden wären.