Grafit und Diamant

Grafit und Diamant

Manchmal steckt hinter den unterschiedlichsten Erscheinungsformen immer das gleiche Element. Das gilt ganz besonders für Kohlenstoff. Da sind einerseits die Diamanten – sie faszinieren uns als aufwendig geschliffene und schön funkelnde Schmuckbrillanten. Sie sind sehr selten und sehr teuer und sie bestehen nur aus Kohlenstoff. Und jetzt schau dir einen Bleistift an: Die schwarzgraue Bleistiftmine, die überhaupt kein Blei enthält, ist aus Grafit. Auch Grafit besteht nur aus Kohlenstoff!
Das ist doch merkwürdig: Der Grafit ist schwarzgrau, undurchsichtig und sehr weich. Diamanten dagegen sind glasklar und so hart, dass man mit ihnen mühelos Glas ritzen kann. Dennoch bestehen beide aus Kohlenstoff. Der Grund für diese Unterschiede liegt in den unterschiedlichen Kristallstrukturen, das heißt in der räumlichen Anordnung der Kohlenstoffatome. Die schauen wir uns genauer an.

Was ist Grafit?

Grafit gibt es auf der ganzen Welt in Form von Flocken, Körnern und Adern im kohlenstoffreichen Gestein. Die großen Abbaustätten befinden sich in China, Brasilien und Indien. Auch in Deutschland gibt es eine Grafitmine, in Kropfmühl im Landkreis Passau. Das einzige deutsche Grafitbergwerk wurde im Jahr 2012 wieder eröffnet, nachdem es sechs Jahre stillgelegt war. Die Nachfrage nach Grafit ist in letzter Zeit deutlich gestiegen und die Entwicklung der Preise am Weltmarkt hat den Abbau wieder rentabel gemacht.

Grafit – Eigenschaften

Grafit ist schwarzgrau und metallisch glänzend. Es bildet sechseckig geformte und schuppige Kristalle. Dazu ist Grafit sehr weich, gut abreibbar und elektrisch leitfähig. Daher kann durch eine Bleistiftmine auch Strom fließen. Das kannst du mit einer 9‑Volt‑Batterie und einer Diode selbst ausprobieren.

Grafit – Verwendung

Grafit ist ein bedeutender Rohstoff und wird heute auf vielfältige Weise genutzt, nicht nur für Bleistiftminen. Grafit ist beispielsweise ein Bestandteil von Lithium-Ionen-Zellen und kommt so in den Akkus von Tablets oder Elektroautos vor. Außerdem hat Grafitpulver sehr gute Schmiereigenschaften.

Grafit – Kristallstruktur

Alle Eigenschaften des Grafits und damit seine Verwendungsmöglichkeiten beruhen auf der Art der Anordnung der Kohlenstoffatome im Grafitgitter, das heißt in der Kristallstruktur des Grafits.

Die Kristallstruktur des Grafits besteht aus übereinander gelagerten Schichten aus Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken – man nennt dies hexagonal – miteinander verknüpft sind. Die Schichten liegen nicht genau übereinander, sondern etwas versetzt. In den Schichten sind die regelmäßigen Sechsecke aus Kohlenstoffatomen in der Art einer Bienenwabe verknüpft. Jedes Kohlenstoffatom ist mit nur drei anderen Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Da Kohlenstoff aber vier Valenzelektronen hat, verbleibt noch ein Elektron, das keine Bindung eingeht. Dieses eine Elektron ist innerhalb der Schicht, ähnlich wie bei Metallen, frei beweglich. Deshalb ist Grafit auch elektrisch leitfähig.

Der Abstand benachbarter Kohlenstoffatome ist zwischen den Schichten doppelt so groß wie ihr Abstand in den sechseckigen Ringen, in denen sie kovalent gebunden sind. Die einzelnen Schichten werden nur durch schwache Kräfte zusammengehalten, die sogenannten Van-der-Waals-Kräften. Wegen der schwachen Bindung lassen sich die Schichten leicht gegeneinander verschieben und auch voneinander trennen. Das erklärt, warum man mit Grafit schreiben kann.

Was ist ein Diamant?

Der Name Diamant leitet sich vom griechischen Adamas ab, was so viel bedeutet wie der Unbezwingbare.
Diamanten sind sehr selten. Die bedeutsamsten Diamantvorkommen liegen in Russland, in Kanada und im südlichen Afrika. Diese Diamanten entstanden im Erdmantel bei hohem Druck und hoher Temperatur in 150 bis 650 Kilometern Tiefe. Vulkanausbrüche beförderten sie an die Erdoberfläche. Auch in Deutschland, im Nördlinger Ries, kann man Diamanten finden. Diese Diamanten sind von spezieller Herkunft: Sie entstanden vor 15 Millionen Jahren beim Aufprall eines Meteoriten!

Diamant – Eigenschaften

Der Diamant ist der härteste natürlich vorkommende Stoff der Erde. Diamanten absorbieren kein Licht. Genau diese Eigenschaft macht aus Diamanten begehrte Schmuckstücke. In Form von geschliffenen Brillanten brechen sie wie kein anderes Material das sichtbare Licht. Diamanten sind Isolatoren, sie können keinen elektrischen Strom leiten.

Diamant – Verwendung

Natürliche Diamanten dienen hauptsächlich als Wertanlage und Schmuck.

Diamanten lassen sich aber auch künstlich aus Grafit herstellen. Unter extrem hohem Druck und bei einer Temperatur über 1.200 bis 1.500 °C wandelt sich das Kristallgitter des Grafits in das Diamantgitter um. Mit diesen künstlich hergestellten Industriediamanten werden Seilsägen für den Abbau von hartem Gestein besetzt, auch Gesteinsbohrer oder Flexscheiben, um Beton zu zerschneiden.

Diamant – Kristallstruktur

Das Kristallgitter von Diamanten hat eine kubische Struktur, die Atome sind alle gleich weit voneinander entfernt und lassen sich wegen ihrer festen Atombindungen nur schwer gegeneinander verschieben oder voneinander trennen. Jedes Kohlenstoffatom ist mit vier weiteren Kohlenstoffatomen verknüpft. Sämtliche Außenelektronen sind an kovalenten Bindungen beteiligt. Deshalb gibt es im Diamantgitter keine frei beweglichen Elektronen. Weil jedes Außenelektron in einer Bindung steckt, leitet der Diamant auch keinen Strom.

Übrigens: Obwohl der Diamant viel härter und dazu viel schöner ist als Grafit, ist das Kristallgitter des Grafits unter Normalbedingungen thermodynamisch stabiler als das des Diamanten. Daher müssten sich eigentlich Diamanten in Grafit umwandeln. Das tun sie aber nicht, da die Aktivierungsenergie für diese Umwandlung extrem hoch ist.

Hinweise zum Video

Im Video lernst du, dass sowohl Grafit als auch der Diamant nur aus Kohlenstoff bestehen und dass sich ihre sehr unterschiedlichen Eigenschaften mit den unterschiedlichen Kristallstrukturen erklären lassen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du den Atomaufbau, kovalente Bindungen und Van-der-Waals-Kräfte kennen.

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Grafit und Diamant aus dem Video zu testen.