Graphit, Diamant und Si-B-N-C-Keramiken
Prof. Dr. Robert Glaum
Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn
rglaum@uni-bonn.de http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de
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Diamant und Graphit
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Graphit
http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de
Schichtabstand: 335 pm d(C-C) = 142 pm
d(C-C, Ethan) = 154 pm d(C-C, Ethen) = 134 pm d(C-C, Benzol) = 139 pm sp2-Hybridisierung
van der Waals - WW
zwischen den Schichten stark anisotrope
physikalische Eigenschaften
Kristallsystem: hexagonal a = 246,4 pm; c = 671,1 pm
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Diamant
Verwandte Kristallstrukturen:
Silicium, Germanium (isotyp), SiC III/V-Halbleiter (BN, GaAs, AlP, …) II/VI-Halbleiter (ZnSe, PbTe, …) d(C-C) = 154 pm
sp3-Hybridisierung
isotrope physikalische Eigenschaften
Kristallsystem: kubisch a = 356,7 pm
Hexagonaler Diamant
(Lonsdaleit; vgl. Wurtzit ZnS) hex. dichteste Packung
0,0,0 0,0,1
1/2,0,1/2
1/4,1/4,1/4
3/4,1/4,3/4
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Graphit-Intercalationsverbindungen
KC8: Reaktion K(fl.), metallisch
CFn n ≤ 1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ < 970
°C
Cx(SO4); Cx(NO3): Ox. mit Oleum od. Nitriersäure
Bandstruktur Graphit
(schematisch)
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Graphit-Intercalationsverbindungen
AC8 bis AC60:
schichtweiser Einbau CFn n ≤ 1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ < 970 °C
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Graphit: Anwendungen
Elektroden (Al-Schmelzflusselektrolyse) Absorbentien (Einlagerungsfähigkeit)
Tiegelmaterial (Glaskohlenstoff; Übergang zu Diamant)
Füllstoff, Schwarzpigment (Ruß)
Schmiermittel (Verschiebbarkeit der Schichten, Gleitfähigkeit)
Elektrischer Leiter (Zusatz in heterogenen Gemengen)
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Diamant
Brillantschliff
1 Karat (ct) = 200 mg
Schmelztemperatur: 3550 °C Bei ϑ > 1500 °C Übergang in Graphit (Luftausschluss)
Natürliche Wachstumsformen:
Oktaeder, Tetraeder, Dodekaeder
Farbige Diamanten:
Baufehler oder Dotierungen (z. B.: gelb durch N-Einbau)
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Diamant
Wärmeleitfähigkeit 5x besser als von Silber!
Elektrische Leitfähigkeit:
Isolator (Eg ~ 5,5 eV) C(Diamant) → C(Graphit)
ΔRG °(298 K) = –2,9 kJ·mol–1
Sehr hohe Härte!
Phasendiagramm Kohlenstoff
Synthese von Diamanten:
1) HPHT Synthese:
hoher Druck, hohe Temperatur 2) Catalytic HPHT Synthese:
hoher Druck, hohe Temperatur, Metallschmelze
3) Shock Wave Synthese:
hoher Druck, hohe Temperatur, liefert hex. Diamanten
4) CVD Synthese:
Diamantsynthese ausserhalb von dessen thermodynami- schem Stabilitätsgebiet
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CVD-Synthese von Diamant
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CVD-Synthese von Diamant
Diamant aus CVD (Chemical Vapor Deposition); ϑ < 1000 °C;
aus Methan, Wasserstoff im Plasma (Graphit wir selektiv
aufgelöst)
Dichte: 3,52 g·cm–3 (Diamant) 2,26 g·cm–3 (Graphit)
Ostwaldsche Stufenregel Ostwald-Vollmer-Regel
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Anwendung von Diamant
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Diamant: Anwendungen
Hartstoff (Schneid- und Schleifwerkzeuge) Kratzschutz (Uhrgläser)
Optische Anwendungen (Lichtbrechung, Lichtdurchlässigkeit) Schmuck (Verarbeitung, Schleifen?)
Thermischer Leiter (Substrat für Halbleiter)
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Bindungsenthalpien (kJ·mol −1 )
C. E. Housecroft, A. G. Sharpe, Anorganische Chemie, Pearson Studium, 2006.
Doppelbindungsregel
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SiBNC-Keramik
Sehr hohe Bindungsenergien!
H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.
Herausragende thermo-
mechanische Eigenschaften!
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SiBNC-Keramik
Keine nachträgliche Bearbeitung (thermisch, mechanisch) möglich!
Pyrolyse von single-source Precursoren (Vorläuferverbindungen)
H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.
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SiBNC-Keramik
H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.
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SiBNC-Keramik
Molekulare Zwischen-
stufen und Precursoren
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Vom Molekül zur Keramik
H. P. Baldus, M. Jansen, Angew. Chemie 1997, 109, 338.
Moderne Anorganische
Synthesechemie!
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