30 Tage kostenlos testen

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Kohlenstoff – Modifikationen

Bewertung

Ø 3.6 / 5 Bewertungen

Die Autor*innen
Avatar
André Otto
Kohlenstoff – Modifikationen
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Kohlenstoff – Modifikationen

In diesem Video geht es um Feststoffe, speziell um den Kohlenstoff. Dazu werden die verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs (Diamant, Graphit und Fullerene) erklärt und verglichen.

Transkript Kohlenstoff – Modifikationen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um Feststoffe, Teil 2 - Kohlenstoff. Das chemische Element Kohlenstoff mit dem Symbol C ist einzigartig. Aus diesem Grund habe ich ihm einen extra Teil unter dem Begriff Feststoffe gewidmet. Als Vorkenntnisse solltet Ihr bereits die Videos über Aggregatzustände, Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe Teil 1 gesehen haben. Ziel des Videos ist es, Euch einen Einblick in die Vielfalt der Modifikationen und Verbindungen des Kohlenstoffs zu liefern. Das Video ist untergliedert in die Abschnitte: 1. Modifikationen 2. Diamant, Graphit und Fullerene im Vergleich 3. Die Strukturbegabung des Kohlenstoffs   1. Modifikationen Um es vorwegzunehmen, Kohle zählt nicht zu den Modifikationen des Kohlenstoffs. Es enthält viel Kohlenstoff aber auch noch andere Verbindungen. Die erste Modifikation des Kohlenstoffs besitzt eine Tetraederstruktur. Dabei sind die Kohlenstoffatome sp3  hybridisiert. Es handelt sich hier um die Modifikation Diamant. Die zweite Modifikation des Kohlenstoffs besitzt Honigwabenstruktur. Hier sind die Kohlenstoffatome sp2 hybridisiert. Wenn die Honigwabenstruktur in Schichten vorliegt, so spricht man vom Graphit. Eine weitere interessante Kohlenstoffmodifikation wurde künstlich hergestellt. Die Moleküle sind Fußbälle oder ähnliche größere Gebilde. Die Kohlenstoffatome sind hier genau, wie beim Graphit, sp2 hybridisiert. Im Fall einer weinroten chemischen Verbindung haben wir ein C60 Molekül, ein C60 Fulleren. Diese Kohlenstoffmodifikation nennt man allgemein die Fullerene. Die vierte und erst kürzlich hergestellte Modifikation des Kohlenstoffs besitzt ebenfalls Honigwabenstruktur. Im Unterschied zum Graphit, bildet diese Modifikation nur eine einzige Schicht aus. Diese Kohlenstoffmodifikation nennt man Graphen. 2. Diamant, Graphit und Fullerene im Vergleich Beginnen wir mit dem Diamanten. Der Diamant ist sehr hart, der härteste bekannte Stoff. Er ist farblos, stark lichtbrechend und ein elektrischer Isolator. Aus den Eigenschaften des Diamanten ergibt sich seine Verwendung. Diamanten werden für die Herstellung von Bohrern verwendet. Außerdem werden unter Beteiligung von Diamanten Achslager gefertigt. Diamantstaub wird als Schleifmittel verwendet. Vergleichen wir diese Eigenschaften mit den Eigenschaften des Graphits. Im Gegensatz zum Diamanten ist Graphit sehr weich, schwarz, undurchsichtig und ein elektrischer Leiter. Aus den Eigenschaften des Graphits ergeben sich seine Anwendungen. Graphit ist ein Schmiermittel. Aus Graphit werden Elektroden für elektrochemische Prozesse gefertigt. Graphit ist zu einem großen Teil in Bleistiftminen enthalten. Die Fullerene, dessen populärsten Vertreter ich hier noch einmal veranschauliche, wurden erst vor einigen Jahrzehnten von den beiden Wissenschaftlern Kroto und Smalley und ihren Teams entdeckt. Die Entdeckung fand etwa um 1985 statt. Fullerene sind Käfigmoleküle. Sie besitzen die Eigenschaft von Nanoröhren. Fullerene sind farbig, löslich, reaktiv. Außerdem handelt sich bei ihnen um elektrische Leiter. Obwohl erst relativ kurz bekannt, bieten Fullerene ein breites Anwendungsspektrum. Man verwendet sie für die Synthese von Arzneimitteln. Fullerene werden für die Herstellung von Mikrochips verwendet. Außerdem dienen Fullerene der Wasserstoffspeicherung. 3. Die Strukturbegabung des Kohlenstoffs Es ist schon eine Seltenheit, dass ein chemisches Element über vier Modifikationen verfügt: Diamant, Graphit, Fullerene und Graphen. Das Spektrum der Eigenschaften der vier Modifikationen des Kohlenstoffs ist sehr breit. Einige Eigenschaften sind unikal. Diamant zeigt eine starke Lichtbrechung, Graphit und Graphen sind schwarz, die Fullerene sind farbig, C60 ist weinrot. Die Oxidationszahlen des Kohlenstoffatoms überstreichen praktisch den gesamten Bereich von -4 bis +4. Wir finden Kohlenstoff in großer Menge in Kohle, in Erdöl und im Erdgas. Das Kohlenstoffatom trifft man vollständig reduziert im Methanmolekül an. Vollständig oxidiert ist das Kohlenstoffatom im Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoff ist das Element der organischen Chemie. Etwa 20-30 Millionen Verbindungen sind beschrieben, die zur organischen Chemie gehören. Dieser Wert datiert vom 27. Juli 2011. Kohlenstoff ist das Element des Lebens. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Ich glaube Sie haben Nanotubes vergessen.

    Von Robin G., vor etwa 2 Jahren
  2. Ich habe selber einige Arbeiten über Kohlenstoffmodifikationen publiziert. Smalley und Kroto wurden immer zitiert, Eiji Osaka kenne ich nicht.
    Du müsstest bitte die Originalliteratur angeben.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 8 Jahren
  3. Guten Tag, ich glaube der japanische Physiker Eiji Osaka hat die Fullerene schon vorher entdeckt.
    Liebe Grüsse Fabienne

    Von Fabienne Kron, vor etwa 8 Jahren

Kohlenstoff – Modifikationen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kohlenstoff – Modifikationen kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.

30 Tage kostenlos testen
Mit Spaß Noten verbessern
und vollen Zugriff erhalten auf

10.816

Lernvideos

44.233

Übungen

38.866

Arbeitsblätter

24h

Hilfe von Lehrer*
innen

laufender Yeti

Inhalte für alle Fächer und Klassenstufen.
Von Expert*innen erstellt und angepasst an die Lehrpläne der Bundesländer.

30 Tage kostenlos testen

Testphase jederzeit online beenden