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Graphit, Diamant und Si-B-N-C-Keramiken
Prof. Dr. Robert Glaum
Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn
http://www.glaum.chemie.uni-bonn.de
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Diamant und Graphit
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3
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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4
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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5
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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6
Graphit-Intercalationsverbindungen
AC8
bis AC60
:
schichtweiser
Einbau
CFn
n ≤
1 (farblos!): Ox. mit Fluor bei ϑ
< 970 °C
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7
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!
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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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19
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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Beispiele für Reaktionsfolgen
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Graphen und Fullerene
Angew. Chemie 2006, 118, 4350.