Klassische Kohlenstoffmodifikationen: Diamant und Graphit

Stell dir vor, du vergleichst einen funkelnden, extrem harten Diamanten mit der weichen, grauen Mine deines Bleistifts. Sie sehen völlig unterschiedlich aus und fühlen sich auch ganz anders an. Aber wusstest du, dass beide aus exakt demselben Material bestehen?

Wenn wir uns klassische Kohlenstoffmodifikationen wie Diamant und Graphit genauer ansehen, stellen wir fest, dass beide zu 100 Prozent aus dem Element Kohlenstoff bestehen! In diesem Artikel lüften wir das Geheimnis, warum derselbe Stoff einmal das härteste Material der Welt und ein anderes Mal weich genug zum Schreiben sein kann.

Vorwissen

• Valenzelektronen (Außenelektronen): Das sind die Elektronen auf der äußersten Schale eines Atoms, die für chemische Bindungen genutzt werden.

  Beispiel: Kohlenstoff steht in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems und hat daher genau vier Valenzelektronen.

• Verbrennung (Oxidation): Eine chemische Reaktion, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet.

  Beispiel: Wenn reiner Kohlenstoff verbrennt, reagiert er mit Sauerstoff zu dem Gas Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_{2}$).

Aufgabentyp 1: Was sind Modifikationen?

Um klassische Kohlenstoffmodifikationen wie Diamant und Graphit zu verstehen, müssen wir klären, was der Begriff bedeutet. Wenn ein einziges chemisches Element in der Natur in völlig verschiedenen Erscheinungsformen vorkommt, nennt man diese Formen in der Chemie Modifikationen. Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist die Art und Weise, wie die Atome im Inneren angeordnet sind. Diamant und Graphit sind also beides Modifikationen des Elements Kohlenstoff.

Dass Diamant wirklich nur aus Kohlenstoff besteht, bewies der berühmte Chemiker Antoine Lavoisier in einem spektakulären Experiment. Er legte einen Diamanten in einen geschlossenen Glaskolben und bündelte das Sonnenlicht mit einer riesigen Lupe (einem Brennglas) genau auf den Stein.

Durch die enorme Hitze des gebündelten Lichts verbrannte der Diamant. Das einzige Produkt, das Lavoisier danach im Kolben finden konnte, war das Gas Kohlenstoffdioxid. Da Kohlenstoffdioxid immer genau dann entsteht, wenn reiner Kohlenstoff mit Sauerstoff verbrennt, war der Beweis erbracht: Diamant ist nichts anderes als reiner Kohlenstoff!

Aufgabentyp 2: Der Aufbau und die Eigenschaften von Diamant

Schauen wir uns die erste der klassischen Kohlenstoffmodifikationen an: den Diamanten. Warum ist ein Diamant so extrem hart? Die Antwort liegt in seiner mikroskopischen Struktur. In einem Diamanten nutzt jedes einzelne Kohlenstoffatom alle seine vier Valenzelektronen, um sich mit vier direkten Nachbaratomen zu verbinden.

Dadurch entsteht ein riesiges, dreidimensionales Gitter. Die Atome sind in einer sogenannten tetraedrischen Form angeordnet, was bedeutet, dass sie wie kleine Pyramiden miteinander verknüpft sind und dabei gewellte Sechsringe bilden. Dieses Gitter ist unglaublich starr und stabil, was den Diamanten zum härtesten natürlichen Stoff der Welt macht.

Weil alle vier Valenzelektronen fest in den Bindungen "eingesperrt" sind, gibt es keine beweglichen Elektronen. Deshalb leitet Diamant keinen elektrischen Strom. Die Atome sitzen zudem sehr dicht beieinander, was dem Diamanten eine hohe Dichte von $\text{3,5 g/cm}^{3}$ verleiht.

Aufgabentyp 3: Der Aufbau und die Eigenschaften von Graphit

Die zweite wichtige Form der klassischen Kohlenstoffmodifikationen ist Graphit. Graphit, das Material in Bleistiftminen, ist ebenfalls reiner Kohlenstoff, aber seine Atome sind völlig anders angeordnet. Hier nutzt jedes Kohlenstoffatom nur drei seiner vier Valenzelektronen, um sich mit drei Nachbarn zu verbinden.

Dadurch entstehen flache, ebene Schichten aus Sechsecken, die aussehen wie Bienenwaben. Aber was passiert mit dem vierten Valenzelektron? Dieses vierte Elektron bleibt übrig und kann sich innerhalb der gesamten Schicht völlig frei bewegen!

Zwischen den einzelnen Schichten ist der Abstand recht groß (etwa 2,5-mal größer als innerhalb der Schicht) und es gibt nur sehr schwache Anziehungskräfte. Die Schichten können daher ganz leicht übereinander hinweggleiten. Genau das passiert, wenn du mit einem Bleistift schreibst: Du reibst einzelne Graphitschichten ab, die dann auf dem Papier liegen bleiben. Graphit ist also sehr weich. Zudem leitet es durch die frei beweglichen Elektronen hervorragend den elektrischen Strom und hat eine geringere Dichte ($\text{2,3 g/cm}^{3}$) als Diamant.

Aufgabentyp 4: Leitfähigkeit von Bleistiftminen

Ein spannendes Experiment zeigt die besonderen Eigenschaften von Graphit als klassische Kohlenstoffmodifikation.

Zweck: Wir weisen nach, dass Graphit elektrischen Strom leitet.

Materialien: 4,5-Volt-Batterie, 3 Kabel mit Krokodilklemmen, kleines Lämpchen, eine dicke Bleistiftmine (Graphit).

⚠️ Sicherheitshinweis: Die Bleistiftmine kann bei längerem Stromfluss heiß werden. Fasse sie nicht direkt nach dem Versuch an.

Durchführung:

1. Verbinde den Pluspol der Batterie mit einem Kabel an das Lämpchen.

2. Verbinde das Lämpchen mit einem zweiten Kabel an das eine Ende der Bleistiftmine.

3. Verbinde das andere Ende der Bleistiftmine mit dem dritten Kabel an den Minuspol der Batterie.

Beobachtung: Sobald der Stromkreis geschlossen ist, leuchtet das Lämpchen hell auf.

Erklärung: Das Lämpchen leuchtet, weil der elektrische Strom ungehindert durch die Bleistiftmine fließt. Das beweist, dass die vierten Valenzelektronen im Graphit frei beweglich sind und den Strom transportieren können.

Wichtige Erkenntnisse

• Modifikationen sind verschiedene Erscheinungsformen desselben Elements. Diamant und Graphit bestehen beide zu 100 % aus Kohlenstoff.

• Diamant: Jedes Kohlenstoffatom hat 4 Bindungen. Es bildet ein starres 3D-Gitter. Daher ist Diamant extrem hart und leitet keinen Strom.

• Graphit: Jedes Kohlenstoffatom hat 3 Bindungen. Es bildet flache Schichten, die leicht aneinander abgleiten (daher ist es weich). Das vierte Elektron ist frei beweglich, weshalb Graphit Strom leitet.