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Graphit und Diamant

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Team Wissensdurst
Graphit und Diamant
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung Graphit und Diamant

Inhalt

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.

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‑Kräfte. Wegen der schwachen Bindung lassen sich die Schichten leicht gegeneinander verschieben und auch voneinander trennen. Das erklärt, warum man mit Grafit schreiben kann.

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.

Kristallstrukturen von Diamant und Grafit
Strukturen von Diamant und Graphit

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.

Übungen und Arbeitsblätter

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.

Transkript Graphit und Diamant

Der Diamant an Ninas Finger besteht aus dem gleichen Baustoff wie der Stift, mit dem Chris sie porträtiert. Beide sind ausschließlich aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, der Graphit im Bleistift und der Diamant. Aber Graphit ist schwarz, undurchsichtig und glänzt wie Metall, und Diamanten sind glasklar und funkeln. Und warum sind Diamanten so hart, dass man mit ihnen mühelos Glas ritzen kann? Graphit dagegen ist sehr weich. Aber beide bestehen aus den gleichen Kohlenstoffatomen. Der Grund für die Unterschiede: die Kristallstrukturen und die räumliche Anordnung der Atome. Graphit besteht aus übereinander gelagerten Kohlenstoffschichten, die in Sechsecken, also hexagonal, miteinander verknüpft sind. Im Kristallgitter sind die regelmäßigen Sechsecke aus Kohlenstoffatomen in der Art einer Bienenwabe verknüpft. Jedes Kohlenstoffatom ist mit nur drei anderen Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Das bedeutet, jedes Kohlenstoffatomen besitzt noch ein Elektron, das keine Bindung eingeht. Dieses eine Elektron ist ähnlich wie bei Metallen beweglich innerhalb einer Schicht. Deshalb ist Graphit elektrisch leitfähig. Durch die Bleistiftmine fließt Strom. Selbst wenn man den Strom durch einen großen Graphitbrocken leitet, geht das LED-Lämpchen an. Weil die freien Elektronen das Licht aufhalten, ist Graphit lichtundurchlässig. Im Kristallgitter von Graphit ist der Abstand zwischen den Schichten doppelt so groß wie der zwischen den benachbarten Kohlenstoffatomen. Die einzelnen Schichten werden nur durch schwache Kräfte zusammengehalten, die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte. Wegen der schwachen Bindung lassen sich die Schichten leicht gegeneinander verschieben und auch voneinander trennen. Das erklärt, warum man mit Graphit schreiben kann. Graphit ist ein bedeutender Rohstoff. Er kommt auf der ganzen Welt vor in Form von Flocken, Körnern und Adern im kohlenstoffreichen Gestein. Die großen Abbaustätten befinden sich in China, Brasilien und Indien, aber auch in Deutschland gibt es eine Graphitmine in Kropfmühl im Landkreis Passau. Das einzige deutsche Graphitbergwerk wurde im Jahr 2012 wiedereröffnet, nachdem es sechs Jahre stillgelegt war. Die Nachfrage nach Graphit ist in letzter Zeit deutlich gestiegen und die Entwicklung der Preise am Weltmarkt hat den Abbau wieder rentabel gemacht. Der Rohstoff wird heute auf vielfältige Weise genutzt, nicht nur für Bleistiftminen. Graphit ist Bestandteil von Lithiumionenzellen, also von Handy-Akkus. Außerdem hat Graphitpulver sehr gute Schmiereigenschaften. Man kann damit unter anderem Schlösser wieder gängig machen. Aus reinem Kohlenstoff besteht auch der Diamant, griechisch “Adamas”, “der Unbezwingbare”. Es ist der härteste natürliche Stoff der Erde. Das Kristallgitter von Diamanten hat eine kubische Struktur, die Atome sind alle gleich weit voneinander entfernt und lassen sich wegen ihrer festen Bindung nur schwer gegeneinander verschieben oder voneinander trennen. Jedes Kohlenstoffatom ist mit vier anderen Kohlenstoffatomen verknüpft. Sämtliche Außenelektronen sind an kovalenten Bindungen beteiligt. Es gibt also im Diamantgitter keine beweglichen Elektronen. Weil jedes Außenelektron in einer Bindung steckt, leitet der Diamant auch keinen Strom. Diamant ist also ein Isolator. Weil freie, also durch Licht leicht anregbare Elektronen fehlen, sind Diamanten transparent. Sie 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 sehr selten. Bedeutsame Vorkommen liegen in Russland, in Kanada und im südlichen Afrika. Bei Kimberley entstand im Tagebau das Big Hole, eines der größten, von Menschen geschaffenen Löcher der Welt. Diamanten entstehen meist bei hohem Druck und hoher Temperatur im Erdmantel in 150 bis 650 Kilometern Tiefe. Oft werden sie durch Vulkanausbrüche nach oben befördert. Auch in Deutschland, im Nördlinger Ries kann man Diamanten finden vor 15 Millionen Jahren hinterließ hier ein Meteorit einen 24 Kilometer breiten Krater. Beim Aufprall des Himmelskörpers entstanden Diamanten. Im Impaktgestein des Nördlinger Ries, dem Suevit, sollen sich sogar viele Tonnen Diamanten verstecken. Allerdings: Die Diamantsplitter sind nur Bruchteile von Millimetern groß. Reich werden kann man mit der Diamantensuche hier sicher nicht. Diamanten lassen sich auch künstlich herstellen, aus Graphit. Bei Luftabschluss, extrem hohem Druck und über 1200 bis 1500 Grad Celsius wandelt sich das Kristallgitter des Graphits in das thermodynamisch stabilere Gitter des Diamanten um. Mit diesen Industriediamanten werden Seilsägen für den Abbau von hartem Gestein besetzt oder Flexscheiben, um Beton zu zerschneiden, und Gesteinsbohrer, mit denen man sehr tiefe Löcher in härtestes Material bohren kann.

6 Kommentare

6 Kommentare
  1. trozdem cool

    Von Amanye0, vor 6 Monaten
  2. obwohl ich in 5 Klasse bin

    Von Amanye0, vor 6 Monaten
  3. wie leicht ist die Aufgabe

    Von Amanye0, vor 6 Monaten
  4. Diamanten sind doch das stärkste überhaupt

    Von Amanye0, vor 7 Monaten
  5. Cool

    Von Blaues Monster, vor 8 Monaten
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