Experimente:
Versuch: Vergleich der Modifikationen von Kohlenstoff

An den drei Modifikationen des Kohlenstoffs

• Diamant
• Graphit
• Fullerene

1. Diamanten
Diamanten (griech.: adamas = der Unbezwingbare) haben einen hohen Schmelzpunkt und sind besonders hart. Mit einer Ritzhärte 10 steht der Diamant an der obersten Stelle in der Mohsschen Härteskala. Denn es müssen kovalente Bindungen aufgebrochen werden, wenn der Kristall zerstört werden soll.
Das dreidimensionale Gitter hat eine kubische Struktur (Bild 1). Deshalb findet man den Diamanten auch als Würfel, Tetraeder oder Oktaeder. Die Kristalle sehen dann z. B. aus wie die vom Alaun (Bild 1 rechts). Die Fotos kann nur ein Fachmann unterscheiden…

Bild 1: Diamantgitter und Alaunkristall als Diamantplatzhalter
(Fotos: Blume)

Die Raumnetzstruktur bildet sich, indem die C-Atome durch vier Bindungen mit den benachbarten Atomen verbunden sind. Da alle Außenelektronen der C-Atome an Bindungen beteiligt sind, besitzt der Diamant keinerlei elektrische Leitfähigkeit; er ist ein Isolator, der zusätzlich auch in dünnsten Schichten noch besonders abriebfest ist. (Das ist wichtig für seine Verwendung in der Halbleitertechnik.)
Das Fehlen freier, also durch Licht leicht anregbarer Elektronen führt auch dazu, dass die Diamanten transparent sind, also kein Licht absorbieren. Die Folge ist ihr hoher Brechungsindex, der sie zum geschätzten Rohstoff von Schmuck-Brillanten macht.

Hinzu kommt, dass die Stärke des Diamantgitters Schwingungen erlauben, die den Diamanten zu hervorragender Wärmeleitung befähigen. Dadurch ist der Diamant der Festkörper mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, den wir kennen. Auch das ist für technische Anwendungen des Diamanten z. B. in der Infrarot-Technologie und als Bohrkopfbesatz besonders wichtig.

2. Graphit
Die Graphitmine in deinem Bleistift hat eine Schichtstruktur und ist so weich, dass du damit schreiben kannst. Im Graphit (griech.: graphein = schreiben) (Bild 2) ist jedes Kohlenstoffatom durch gleich lange Atombindungen mit drei anderen Kohlenstoffatomen verbunden. Der Bindungswinkel beträgt 120 °, so dass sich regelmäßige Sechsecke bilden. Folglich gehört der Graphit zu den Kristallen mit hexagonaler Symmetrie. (Solche Kristalle findet man aber nur äußerst selten. Er tritt vor allem unregelmäßig tafelig auf (Bild 2).)

Jedes Kohlenstoffatom besitzt noch ein Elektron, das keine Bindung eingeht. Die "übrige", vierte Bindung jedes Atoms bildet Doppelbindungen, ist aber nicht fest an bestimmte Plätze gebunden, ähnlich wie die Elektronen in Metallen ist das Elektron beweglich innerhalb einer Schicht. So lassen sich der fast metallische Glanz und die elektrische Leitfähigkeit erklären. Graphit ist lichtundurchlässig, denn die freien Elektronen halten Licht auf.
Die Schichten des Graphitgitters haben wesentlich größeren Abstand voneinander als die Atome innerhalb einer Schicht und werden durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Daher ist Graphit ein sehr weiches Material, leicht spaltbar und kann sogar als Schmiermittel verwendet werden.

Bild 2: Graphitgitter und Graphitkristalle (Fotos: Blume)

3. Fullerene
Die dritte Modifikation des Kohlenstoffs, die Fullerene, gehört zu den Molekülkristallen. Dass Fullerene aus kleinen Molekülen bestehen, zeigt sich daran, dass sie im Gegensatz zu Diamant und Graphit in Benzol bzw. Toluol leicht löslich sind. Ihre Kristalle sind recht weich. Das weist auf die Hohlräume der C₆₀-Käfige und deren lockerem Zusammenhalt hin. Wußtest du, dass die C₆₀-Fußbälle im Kristall mit hoher Geschwindigkeit rotieren?

Bild 3: Molekül und Kristalle des C60-Buckminsterfullerens (Foto: Blume)

Interessantes rund ums Thema Fullerene kannst du auch auf der Seite 'Fullerene - Was hat Fußball mit Chemie zu tun?'  der DC2 nachlesen.

Vom Graphit zum Diamant und zu den Fullerenen
Da sowohl Graphit als auch Diamant aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind, wirst du dich vielleicht fragen, warum man nicht aus billigem Graphit wertvolle Diamanten herstellt. Dazu müßte man nur die Anordnung der Atome ändern. Wenn das aber so einfach wäre, könnte jeder die kostbaren Schmuckstücke selbst herstellen.
Diamanten haben eine größere Dichte als Graphit, die Atome im Diamanten sind enger gepackt. Deshalb muss Graphit unter hohem Druck erhitzt werden, damit die Atome eine dichtere Ordnung einnehmen. Bei einem Druck von etwa 100 000 bar und einer Temperatur von etwa 1500 - 1800 °C werden aus Graphit Industrie-Diamanten gewonnen.
Da dieser Prozeß sehr aufwendig ist, sind die gewonnenen Diamanten nicht gerade billig. Sie werden vor allem als Werkzeuge zum Schneiden, Bohren und Schleifen eingesetzt. Heute werden vor allem in Rußland große Diamanten von hervorragender Qualität künstlich produziert. Sie überschwemmen den Markt und sind von den natürlichen nur aufgrund ihrer hohen Reinheit zu unterscheiden.

Verdampft man Graphit bei geringem Druck in einer Heliumatmosphäre, so schlägt sich der Kohlenstoff an kalten Stellen des Reaktionsgefäßes als Fulleren-Mischung nieder.

Erhitzt man weiterhin eine mit Fullerenen belegte Fläche, erhält man dünne Diamantschichten. Diese sind mechanisch außerordentlich stabil und hart, außerdem transparent, hervorragend Wärme ableitend und beste Isolatoren. Deshalb spielen sie in der Mikro-Elektronik eine wichtige Rolle.

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