Graphen und Fullerene
Graphen und Fullerene sind Modifikationen von Kohlenstoff. Graphen besteht aus einer einzigen Atomlage mit einer Wabenstruktur, während Fullerene aus 60 Kohlenstoffatomen bestehen und Fußbällen ähneln. Erfahre mehr über ihre Eigenschaften, Anwendungen und Herstellung. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Graphen und Fullerene
Graphen und Fullerene – Chemie
Kohlenstoff kann vielfältige Kristallstrukturen bilden. Die wohl bekanntesten Modifikationen sind Grafit und Diamant. Daneben können Kohlenstoffatome aber auch große Strukturen bilden, die wie Fußbälle aussehen, oder große Schichten, die genau nur ein Atom dick sind. Aber was sind Graphen und was sind Fullerene? Das erfährst du in diesem Text.
Was sind Fullerene? – Definition
Fullerene sind Kohlenstoffmodifikationen. Sie bestehen aus 60 Kohlenstoffatomen. Fullerene haben das Aussehen eines Fußballs und werden aus diesem Grund auch als Fußballmoleküle bezeichnet. Die Atome im $\ce{C60}$-Molekül sind so verknüpft, dass zwölf Fünfecke und 20 Sechsecke entstehen. Die Bindungen im Fulleren zwischen den Kohlenstoffatomen sind ähnlich wie im Grafit und Diamant. Makroskopisch betrachtet handelt es sich bei Fullerenen um ein braun-schwarzes Pulver mit metallischem Glanz.
Welche Eigenschaften haben Fullerene?
Im Folgenden werden einige chemisch-physikalische Eigenschaften der Fullerene genauer betrachtet.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Fullerene – Härte | weich |
| Fullerene – Dichte | $\pu{1,7g/cm3}$; Fullerene sind also nicht hart. |
| Fullerene – Farbe | braun-schwarz |
| Fullerene – Größe | Durchmesser $\pu{700 pm}$ |
| Fullerene – Schmelzpunkt | bei Temperaturen über $\pu{280°C}$ |
| Fullerene – Sublimation | bei Temperaturen über $\pu{400°C}$ |
| Fullerene – elektrische Leitfähigkeit | Fullerene sind nicht elektrisch leitfähig. |
| Fullerene – Wärmeleitfähigkeit | Fullerene hemmen die Wärmeleitfähigkeit. |
Fullerene – Vorkommen und Herstellung
Natürliche Fullerene kommen in jeder rußenden Flamme vor. Künstlich können Fullerene synthetisiert werden, indem Kohlenstoff aus Grafitelektroden mit einem elektrischen Lichtbogen in einer Heliumatmosphäre verdampft wird. Anschließend wird der Dampf direkt kondensiert.
Fullerene – Anwendung und Verwendung
In folgenden Bereichen können Fullerene genutzt werden oder wird ihr Einsatz aktuell erforscht:
- In Cremes, insbesondere Anti-Aging-Cremes
- Als Schmiermittel, Fullerene wirken wie ein molekulares Kugellager.
- Herstellung künstlicher Diamanten
- Als Halbleiter und Supraleiter
- Als Katalysator
Was sind Graphene? – Definition
Graphene sind ebenfalls Modifikationen von Kohlenstoff. Dabei ist ein Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben. Du kannst dir das als eine Verkettung von Benzolringen vorstellen, die eine sogenannte Wabenstruktur ausbilden. Das Besondere an Graphenen ist, dass sie aus nur einer Atomlage bestehen. Sie können Nanoröhren bilden.
Graphene sind sehr steif und fest und sie besitzen die größte Zugfestigkeit, die je ermittelt wurde. Deshalb werden sie dazu benutzt, um Kunststoffe zu verstärken, zum Beispiel die Rotorblätter von Windkraftanlagen. Außerdem sind Graphene elektrische Leiter. Man könnte aus ihnen beispielsweise sehr dünne Solarzellen herstellen oder eine Art biegsamen Monitor.
Dieses Video
In diesem Video wird dir einfach erklärt, was für Stoffe Fullerene sind. Du erfährst, wo Fullerene enthalten sind und wie der Bau von Fullerenen aussieht.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript Graphen und Fullerene
Eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs ist unter anderem in Cremes enthalten. Die sogenannten Fullerene haben aber auch noch ganz andere Eigenschaften. Das Fulleren mit dem Namen C60 wird auch Fußball-Molekül genannt. In diesem Molekül bilden die Kohlenstoffatome einen kugelförmigen Käfig, einen Polyeder. Dieses am besten erforschte Fulleren besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die im Kristallgitter in zwölf Fünfecken und 20 regelmäßigen Sechsecken miteinander verbunden sind. Auch in anderen Fullerenen mit den Namen C76 oder C84 sehen die Verknüpfungen ähnlich aus. Fullerene sind braunschwarze Pulver mit metallischem Glanz. Sie sind weich wie Graphit, leiten aber den elektrischen Strom nicht, weil die einzelnen Moleküle nicht miteinander in Verbindung stehen. Wie bei einem Stapel Orangen sind die einzelnen C60-Kugeln sehr dicht aneinander angeordnet und bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften eignen sich Fullerene auch sehr gut als Schmiermittel. Sie wirken wie ein molekulares Kugellager. Einfaches Haushaltsklebeband. Damit lösten die russischen Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov zum ersten Mal eine monoatomare Schicht Kohlenstoff von einem Stück Graphit ab. 2010 erhielten sie dafür den Physiknobelpreis. Graphen ist ein zweidimensionales Material, das erstaunliche Eigenschaften hat, die nicht nur Physiker faszinieren. Graphene sind nur eine Atomlage dick. Sättigt man die Ränder der Graphene nicht mit anderen Atomen ab, so wellt sich die Schicht und formt sich zu einer Röhre. Es kommt quasi zu einer Eigensättigung. Der Durchmesser dieser Nanoröhren liegt im Bereich von einem Millionstel Millimeter. Sie sind ein Zehntausendstel so dünn, wie ein menschliches Haar. Eine Pflanzenlaus sieht dagegen gigantisch aus. Graphene und Nanoröhren gelten als Wunderstoff der Zukunft. Sie sind extrem stabil, biegsam, transparent und leicht und 100-mal fester als Stahl. Das Nanomaterial kann Kunststoffe verbessern und verstärken. Zum Beispiel bei den Rotorblättern von Windkraftanlagen. Forscher experimentieren mit ultradünnen Solarzellen. Sogar ein Weltraumlift mit Seilen aus Nanoröhren war angedacht. Besonders interessant ist das Verhalten von Nanoröhren bei der elektrischen Leitfähigkeit. Sie können sowohl isolieren, als auch als Halbleiter wirken oder leiten. Mit der Nanotechnologie ließen sich faltbare Monitore, oder elektronisches Papier realisieren. Biegsam und trotzdem robust.
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