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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 KohlenstoffC und KohlenstoffC und aus Spuren des radioaktiven Isotops KohlenstoffC. Das Isotop KohlenstoffC besitzt einen Kernspin von 1 / 2 und wird für NMR-spektroskopische Untersuchungen organischer Verbindungen eingesetzt. KohlenstoffC wird analog der natürlichen Entstehung in einer künstlichen Elementumwandlung aus Stickstoff durch Beschuss mit energiereichen Neutronen hergestellt: Kohlenstoff.KohlenstoffC 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.

Isotop

Häufigkeit [%]

Atommasse

Halbwertszeit T1 / 2

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

14C

Spuren

14,003 241

5730 a

Tracer

 

Kohlenstoff 2:Allgemeine, chemische und festkörperphysikalische Eigenschaften.

Ordnungszahl

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

Photoelektrische Arbeit [eV]

5

 

Kohlenstoff 3: Thermische und elektromagnetische Eigenschaften.

Siedetemperatur Graphit (sublimiert) [K]

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

Graphit

-6,2

 

Kohlenstoff 4: Atom- und kernphysikalische Eigenschaften.

Termsymbol

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

Einfangquerschnitt für thermische Neutronen [barn]

0,003 4 ± 0,000 2

 

 

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