Techniklexikon

Kohlenstoff

(als Werkstoff und Werkstoffkomponenete). Reiner K. ist sowohl Diamant, der härteste aller Stoffe, als auch Graphit. Ihre höchst verschiedenen Eigenschaften sind die Folge unterschiedlicher Kristallgitterstrukturen (Kristall). Ausgangs-stoffe für Bauteile aus Kohlenstoff oder Graphit sind u. a. Petrol- und Pechkoks sowie natürlicher Graphit. Die Rohstoffe werden zerkleinert und mit einem Bindemittel unterWärmezufuhr zerknetet. Die heißplastischen Massen können unmittelbar z. B. zu Fasern extrudiert (durch eine Matrize gepreßt) oder im erkalteten Zustand gemahlen werden, um das Granulat anschließend in Formen zu pressen. Danach werden die Formkörper in einem Brennofen einer Temperatur von etwa 1000 °C ausgesetzt, wobei der Binder verkokt. Für gewisse Anwendungen folgt ein Hochtemperaturprozeß (bis etwa 2800 °C), bei dem die Kristallstruktur des Graphit entsteht. Die danach verfügbaren Halbzeuge können durch spanende Bearbeitung (Fertigungstechnik) in gebrauchsfertige Teile geformt werden. Graphit zeichnet sich u. a. durch hohe Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitung), hohe chemisch-thermische Beständigkeit, einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Selbstschmierfähigkeit aus. Massivkörper aus K. oder Graphit sind z. B. Dichtringe und Gleitlager, Kohlebürsten für elektr. Maschinen, Elektroden und die Umhüllungen der Brennstäbe (Atomkraftwerk). K. fasern finden vor allem Eingang in Verbundwerkstoffe, aus denen in der Luftfahrt z. B. Leitwerke für Flugzeuge und Rotorblätter für Hubschrauber hergestellt werden. C, Element der Hauptgruppe IV des Periodensystems. In der Natur kommt es sowohl in freier Form (Graphit, Diamant, Fullerene) vor als auch gebunden als Carbonat in der Lithosphäre (Kalkstein: CaCO₃, Dolomit: CaCO₃MgCO₃) und als Kohlendioxid CO₂ in der Atmosphäre (0,03 Vol.-%). Kohlenstoff besitzt die Elektronenkonfiguration 1s²2s²2p² und besteht in der Natur aus den Isotopen C und C und aus Spuren des radioaktiven Isotops C. Das Isotop C besitzt einen Kernspin von 1 / 2 und wird für NMR-spektroskopische Untersuchungen organischer Verbindungen eingesetzt. C wird analog der natürlichen Entstehung in einer künstlichen Elementumwandlung aus Stickstoff durch Beschuss mit energiereichen Neutronen hergestellt: .C ist ein b-Strahler, der sich mit einer Halbwertszeit von 5 730 Jahren wieder in die Ausgangsverbindung zurückverwandelt. Kohlenstoff kommt in mindestens sechs allotropen Modifikationen vor: a- und b-Graphit, Diamant, Lonsdaleit (hexagonaler Diamant), Chaoit und Kohlenstoff(VI). Der Diamant ist ein Nichtleiter von hoher Festigkeit und Härte (Diamantgitter). Der a-Graphit kristallisiert in einem Schichtengitter mit einem zweidimensionalen Elektronengas, das ihm metallischen Charakter verleiht: elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, starke Lichtabsorption und metallischen Glanz. Naturgraphit und Kunstgraphit (Elektrographit) wird für Elektroden und in Kernreaktoren für Moderatoren und Reflektoren eingesetzt. Hochorientierter Pyrographit (HOPG), in dem die Normalen der einzelnen Kohlenstoffketten nicht mehr als 1 ° voneinander abweichen, wird für Röntgenmonochromatoren verwendet. Feinkristalliner, porenreicher Kohlenstoff, die sogenannte Aktivkohle, besitzt eine grosse innere Oberfäche, die als Adsorptionsmittel für chemische Stoffe dient. Die gesamte Oberfäche kann 300-2000 m² / g betragen - wobei der Porenradius in einer Grössenordnung von 1-5 nm liegt - und bis zu 50 % ihrer Masse an organischen Substanzen aufnehmen. Wichtige Kohlenstoffverbindungen sind Kohlendioxid CO₂, Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe und Carbide.

 

Kohlenstoff 1: Wichtige Isotope.

bottom:solid gray 1.0pt;border-right: none;mso-border-top-alt:solid gray .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Isotop	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-top-alt: solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Häufigkeit [%]	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-top-alt: solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Atommasse	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-top-alt: solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Halbwertszeit T1 / 2	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt; mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Verwendung
11C	0	11,001 143 0	20,3 a	Tracer
12C	98,9	12,000 000 0	stabil
13C	1,1	13,003 354 8	stabil	NMR
bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 14C	bottom:solid gray 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Spuren	bottom:solid gray 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 14,003 241	bottom:solid gray 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 5730 a	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt: solid gray .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Tracer

 

Kohlenstoff 2:Allgemeine, chemische und festkörperphysikalische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Ordnungszahl	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 6
Relative Atommasse (12C = 12,000 0)	12,011 1
Dichte [g cm-3]
Graphit	1,9-2,3
Graphit, amorph	1,8-2,1
Diamant	3,1-3,5
Molvolumen (Diamant) [cm3]	3,42
Oxidationszahlen	-IV, II, IV
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Photoelektrische Arbeit [eV]	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt: solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 5

 

Kohlenstoff 3: Thermische und elektromagnetische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Siedetemperatur Graphit (sublimiert) [K]	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 3 643
Schmelztemperatur [K]
Diamant (12,5 GPa)	4 100
Graphit (20 kPa)	3 800
Siedeenthalpie [kJ mol-1]	710
Schmelzenthalpie [kJ mol-1]	105
Wärmeleitfähigkeit [W m-1 K-1]
Diamant	990-2 320
Graphit
transversal	5,7
parallel	1 960
Spezifische Wärme [kJ kg-1 K-1]
Diamant	0,502
Graphit	0,708
Spez. Widerstand [Wm]
Diamant	1 × 1011
Graphit	1,375 × 10-5
Bandabstand (Diamant) [eV]	5,48
Spez. magn. Suszeptibilität [10-9 kg-1 m3]
Diamant	-6,3
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Graphit	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt: solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> -6,2

 

Kohlenstoff 4: Atom- und kernphysikalische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Termsymbol	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 3P0
1. Ionisierungsenergie [eV]	11,26
2. Ionisierungsenergie [eV]	24,384
Elektronenaffinität [eV]	1,269
Elektronegativität (Pauling)	2,55
effektive Kernladung (Slater)	3,25
Magnetisches Moment [B]	0
Ionenradius (C4-) [nm]	0,260
Atomradius [nm]
kovalent	0,077
van der Waals	0,185
Kernspin
12C	0
13C	1 / 2
Magnetisches Moment [K]
12C	0
13C	0,720 24
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .6pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Einfangquerschnitt für thermische Neutronen [barn]	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt: solid black .6pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 0,003 4 ± 0,000 2