Kohlenstoff – Modifikationen

Kohlenstoff – Modifikationen Übung

• Beschreibe die Modifikationen des Kohlenstoffs.

  Tipps

  Diamanten sind sehr hart und haben eine Tetraederstruktur.

  Die Graphitstruktur gleicht einem regelmäßigen Sechseck.

  Die Struktur des Fullerens gleicht einem bestimmten Spielball.

  Lösung

  Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente auf dem Planeten. Durch die vielen verschiedenen Bindungsmöglichkeiten besitzt der Kohlenstoff verschiedene Modifikationen. Die erste und härteste ist der Diamant, in dem die Kohlenstoffatome ${ sp }_{ 3 }$ hybridisiert sind. Die einzelnen Atome sind tetraedisch angeordnet. Das Graphit ist tiefschwarz und hier sind die einzelnen Atome wie Honigwaben angeordnet. Hier liegt eine sogenannte ${ sp }_{ 2 }$-Hybridisierung vor. Mehrere der dünnen Schichten liegen übereinander. Gibt es nur eine dieser Schichten, so nennt man die Modifikation Graphen. Als letzte Modifikation müssen die sogenannten Fullerene genannt werden, in der die einzelnen Atome ebenfalls ${ sp }_{ 2 }$-Hybridisierung aufweisen. Sie sind jedoch wie in einem Fußball angeordnet.

• Charakterisiere die Modifikationen des Kohlenstoffs.

  Tipps

  In Toluol, einem organischen Lösungsmittel, sind von allen Modifikationen nur die Fullerene löslich.

  Ein Diamant leitet keinen Strom, im Gegensatz zu Graphit.

  Diamanten funklen und reflektieren Licht. Graphit dagegen hat die Farbe einer Bleistiftmine.

  Lösung

  Die verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs haben unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften, die sie unterscheiden: Betrachtet man optische Eigenschaften, so erkennt man, dass der Diamant lichtreflektierend ist, er funkelt im Licht. Graphit dagegen ist trüb dunkel und schwarz. Fullerene, wie das ${ C }_{ 60 }$, sind farbig. Diamant ist im Gegensatz zu den beiden anderen Modifikationen des Kohlenstoffs sehr hart, Graphit sehr weich. Leitet man nun Strom durch die verschiedenen Moleküle, so fällt auf, dass Diamant ein Isolator ist. Graphit und Fullerene leiten den elektrischen Strom. Versucht man die verschiedenen Modifikationen nun in einem organischen Lösungsmittel zu lösen, sind die Fullerene die einzig lösliche Modifikation.

• Bestimme die Oxidationszahlen von Kohlenstoff.

  Tipps

  Die Summe aller Oxidationszahlen beträgt im Molekül immer 0.

  Wasserstoffatome haben immer die OZ +1.

  Lösung

  Die Oxidationsstufen des Kohlenstoffs reichen von -4 bis +4. Damit hat der Kohlenstoff ein sehr breites Spektrum, aus dem sich die zahlreichen verschiedenen Verbindungen ergeben. Dieses Verhalten ermöglicht die organische Chemie, die sich von der Sonderstellung des Kohlenstoffs ableitet.

  Die verschiedenen angegebenen Moleküle bilden einen Teil des Spektrums ab:

  Beim Methan ist der Kohlenstoff der elektronegativere Partner und daher besitzt er aufgrund von vier angrenzenden Wasserstoffatomen die OZ -4.

  Das Methanol besitzt die OZ -2 für Kohlenstoff, da hier der Sauerstoff als deutlich elektronegativerer Partner zwei Elektronen der Wasserstoffe zu sich zieht.

  Beim Tetrafluormethan haben wir umgedrehte Verhältnisse im Vergleich zum Methan. Die vier Substituenten sind so elektronegativ, dass sie die Elektronendichte zu sich ziehen und der Kohlenstoff die OZ +4 besitzt. Genau dasselbe Verhältnis haben wir beim Kohlenstoffdioxid.

  Zuletzt haben wir das sogenannte Chlormethan. Hier zieht nur das Chlor als elektronegativer Partner die Dichte ab, sodass die OZ -2 aufgrund der anderen drei Wasserstoffatome übrig bleibt.

• Beschreibe die Leitfähigkeiten der unterschiedlichen Modifikationen.

  Tipps

  Betrachte die Bindigkeit des Kohlenstoffs.

  Diamant ist ein Nicht-Leiter, Graphit dagegen leitet den elektrischen Strom, ebenso wie Fullerene.

  Vergleiche die Fulleren-Struktur mit der des Graphits und dem Diamanten, um die Eigenschaften der Leitfähigkeit abzuleiten.

  Lösung

  Kohlenstoff hat drei verschiedene, relevante Modifikationen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Ein Unterschied, obwohl die Moleküle allesamt aus denselben Atomen aufgebaut sind, ist die Leitfähigkeit.

  Diamant ist als einziger der Stoffe ein elektronischer Leiter. Dies bedingt die tetraedische Anordnung der Kohlenstoffatome. Durch diese Anordnung erhält der Diamant seine einzigartige Festigkeit, hat jedoch eine Vier-Bindigkeit für jedes Kohlenstoffatom. Dadurch hat der Kohlenstoff keine freien Elektronen, da er vier kovalente Bindungen mit seinem Nachbar eingeht.

  Im Gegensatz dazu hat das Graphit die im Tipp abgebildete Bienenwabenstruktur. Hier bildet jedes Kohlenstoffatom lediglich drei Bindungen aus, sodass ein Elektron pro Kohlenstoff frei bleibt, welches sozusagen eine Elektronenwolke erzeugt und beweglich ist. Es bildet sich eine delokalisierte Elektronenwolke. Innerhalb einer Schicht leitet das Graphit besonders gut. Da sich die Schichten untereinander auch berühren, leitet es auch in alle Raumrichtungen gleich gut. Leitet man den Strom jedoch genau senkrecht gegen die Schichten, so ist auch Graphit ein Isolator.

  Bei den Fullerenen, wie etwa dem abgebildeten ${ C }_{ 60 }$, sind die Bindungsverhältnisse ähnlich wie beim Graphit.

• Erkenne die Anwendungsmöglichkeiten der Modifikationen des Kohlenstoffs.

  Tipps

  Diamant ist eines der härtesten Materialien der Welt.

  Graphit ist sehr weich und wird oft bei galvanischen Elementen genutzt.

  Fullerene werden zur Konstruktion kleiner Teile benutzt.

  Lösung

  Kohlenstoff ist ein sehr wichtiges Element in der organischen Chemie, welches verschiedene Modifikationen annehmen kann. Diese unterscheiden sich durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, sodass sie ebenfalls eine breite Produkt- und Anwendungspalette bieten. Die bekannteste Modifikation ist der sogenannte Diamant, welcher sehr hart und daher für Bohr-und Schleifmaterial geeignet ist. Als zweites haben wir das sehr weiche Graphit. Dieses besteht aus so weichen Schichten, dass es beispielsweise im Bleistift als Miene benutzt wird, da die Schichten auf dem Papier schon bei leichtem Druck zurückbleiben. Ebenfalls wird Graphit bei galvanischen Zellen als Elektrodenmaterial benötigt. Zuletzt bleiben noch die relativ jungen Fullerene, welche für die Synthese winziger Strukturen, wie Nanoröhrchen und Mikrochips, benutzt werden.

• Erläutere die Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoff.

  Tipps

  Die Bindungsverhältnisse im Diamant sind in der Abbildung ersichtlich.

  Van-der-Waals Kräfte sind nicht besonders stark im Gegensatz zu anderen zwischenmolekularen Kräften.

  Freie Elektronen können oftmals eine Doppelbindung oder sogenannte „pi-Bindungen“ ausbilden.

  Lösung

  Die verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs unterscheiden sich durch ihre verschiedenen Bindungsverhältnisse. In der Diamantstruktur sind die Kohlenstoffatome ${ sp }_{ 3 }$ hybridisiert. Sie haben jeweils vier nächste Nachbarn und bilden so ein dreidimensionales Netzwerk. Dies erklärt die Stabilität der Diamantmodifikation. Diese Anordnung der Atome gleicht der abgebildeten Zinkblende-Struktur.

  Dagegen sind im Graphit (oder auch bei Fullerenen) die einzelnen Kohlenstoffatome ${ sp }_{ 2 }$ hybridisiert. Dies bedeutet, dass sie jeweils drei nächste Nachbarn haben. Die freien Elektronen bilden zwischen den einzelnen Atomen sogenannte pi- oder Doppelbindungen aus. Sie sind jedoch delokalisiert. Untereinander sind die Schichten über schwache van-der-Waals Kräfte verbunden, sodass sie leicht abgetragen werden können. Daher kann Graphit als Zeichenmaterial für Bleistifte verwendet werden.