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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen
Stephan Muesmann 21.05.2010
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Stephan Muesmann21.05.2010
Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 2
Übersicht Was ist Allotropie? Graphit Diamant Lonsdaleit Fullerene
→ Carbon Nanotubes
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 3
Allotropie unterschiedliche Modifikationen eines Elements unterschiedliche physikalische und chemische
Eigenschaften identische
Zusammensetzung
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 4
Eigenschaften: graue, schuppige,
undurchsichtige Masse (ρ = 2,26 g/cm³)
geruchs- und geschmackslos schwacher Metallglanz, stark abfärbend anisotroper elektrischer Leiter Sublimation bei 3770°C (in sauerstofffreier
Atmosphäre)
Graphit
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 5
Graphit Struktur und
Bindungsverhältnisse übereinandergelagerte, ebene
Kohlenstoffschichten hexagonale Ringe mit sp² –
Hybridisierung Bindungsordnung beträgt
1 1/3 (Bindungslänge 142 pm)
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 6
Graphit Gewinnung
Aufreinigung von natürlichem Graphit thermische Zersetzung fossiler Brennstoffe
Verwendung feuerfeste Produkte (z.B. Tiegel) Schutzanstrichte für Hochöfen Einsatz als Bleistiftmine
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 7
Diamant Eigenschaften:
härtestes bekanntes Material (Mohs-Härte: 10; ρ=3,51 g/cm³)
farbloses, geruchs- und geschmackloses Material
stark lichtbrechende und -dispergierende Kristalle
höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit keine elektrische Leitfähigkeit (Nichtleiter)
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 8
Diamant Struktur und
Bindungsverhältnisse sp³ – Hybridisierung des
Kohlenstoffs tetraedrische Umgebung
(Abstand 154 pm) kubischer Diamant
entspricht Zinkblende (ZnS) Zinkblende – Struktur
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 9
Diamant
● Gewinnung● natürliche Diamanten aus „Kimberlit“● künstliche Diamanten aus Graphit● dünne Schichten per CVD – Verfahren
● Verwendung● farbige, geschliffene Diamanten● Schleifmaterial● Bohrerspitzen für besonders harte
Gesteine
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 10
Lonsdaleit seltene Form des
Kohlenstoff 1967 von K. Lonsdale
entdeckt hexagonaler Diamant
Entstehung bei Graphit - Umwandlung
WannenkonformationSesselkonformation
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 11
Fullerene Eigenschaften
gelbbraune bis schwarzbraune Kristalle
graphitweich, aber geringere Dichte (ρ=1,65 g/cm³)
mäßig lösbar in organischen Lösungsmitteln
farbig in verdünnten Lösungen→ π → π* Elektronenübergänge
C60 - Fulleren
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 12
Fullerene Struktur und
Bindungsverhältnisse bildet eine
„Molekülstruktur“ sp² – Hybridisierung der
C – Atome→ 3 – dimensionale
Ausdehnung der π - Bindungen
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 13
Fullerene Gewinnung
dampfförmiges Graphit thermodynamisch abschrecken
Abtrennung aus Ruß mit Toluol
natürliche Vorkommen sind Shungit und Fulgurit
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 14
Fullerene Verwendung
Forschung an Anwendungen für Fullerene→ z.B. bei CNT – Carbon Nanotubes
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 15
CNT – Carbon Nanotubes Kohlenstoffröhren mit
1-50 nm Durchmesser mehreren Millimetern Länge
hohe elektrische Stromdichte und Leitfähigkeit hohe Zugfestigkeit und E-Modul hohe thermische Widerstandsfähigkeit und
Wärmeleitfähigkeit
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 16
CNT – Carbon Nanotubes Herstellung
Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden
→ mit Katalysatoren entstehen SW-CNT
per CVD → ganze Felder per Laser - Ablation
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 17
CNT – Carbon Nanotubes Anwendungen
Elektroindustrie (Nanoprozessoren)
Messtechnik (Rastertunnelmikroskope)
Verbesserung von Kunststoffen
Medizin: Transport von Substanzen, Genen und Antigenen
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 18
CNT – Carbon Nanotubes Gesundheitliche
Auswirkungen bisher nicht
eindeutig geklärt Asbestähnliche
Strukur → Vermutung auf Cancerogenität
Toxizität der Katalysatorreste
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Allotrope Kohlenstoffmodifikationen 19
Quellen A.F Hollemann E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Auflage
1995, Walter de Gruyter http://www.paultownend.com/photos/montreal/montreal13.jpg http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/grund/20_Kohlenst_1.pdf http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/nichtmetalle_7_1.html http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw_for_et/kap_3/backbone/r3_2_2.html http://www.seilnacht.com/Lexikon/tnkohlfu.JPG http://www.ham-tools.com/uploads/pics/diamantbohrer.jpg http://www.bmwfj.gv.at/EnergieUndBergbau/MineralischeRohstoffe/industriem
inerale/PublishingImages/Grafit_1.jpg http://www.biorg.uu.se/Forskning/HelenaG/images/Allotropes.jpg http://www.chempage.de/versuche/EC/EC%20002/velektrolyse3.jpg http://www.appliedspectra.com/assets/Laser-Ablation-flat-black-bg-big.jpg
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