Vorkommen und Darstellung

Kohlenstoff tritt elementar als Graphit und als Diamant auf. Andere metastabile Modifikationen wie z.B. die Fullerene werden im Labor bzw. industriell hergestellt. Der grösste Teil ist jedoch in Form von Carbonaten gebunden (vgl. E2 - Kap. 3).

Abbildung 33: (a) Struktur von hexagonalem $\alpha$-Graphit. Die Schichtabfolge ist ABAB. In der rhomboedrichen Form des $\beta$-Graphits ist die Schichtfolge ABCABC.
(b) Mesomere Grenzstrukturen eines Ausschnitts einer Graphitschicht.
(c) Darstellung der zu delokalisierten $\pi$-Bindungen befähigten p-Orbitale.

Diamant ist der härteste Stoff, den wir heute kennen. Nach Wolfram haben Graphit und Diamant die höchste Atomisierungsenergie der Elemente. Graphit ist nur wenig (1.9 $kJ mol^{-1}~$ ) stabiler als Diamant. Graphit zeigt eine gute elektrische Leitfähigkeit, Diamant ist ein Isolator.

Die Fullerene sind erst vor kurzem entdeckte Modifikationen von Kohlenstoff, die thermodynamisch relativ instabil gegenüber Graphit (38 $kJ$   (m C-Atome)$^{-1}$) und Diamant, aber kinetisch beständig sind.

Abbildung 34: Das C$_{60}$-Molekül (Buckminsterfulleren). Die Oberfläche ist die eines 60-eckigen Fussballs. Es gibt 12 isolierte fünfeckige Flächen und 20 secheckige Flächen. Das 32-flächige Polyeder ist ein abgestumpftes Ikosaeder. Das kugelförmige Molekül hat einen Durchmesser von 700 pm. Die C--C-Abstände der Sechsring-Sechsring-Verknüpfungen sind 138,8 pm, die der Sechsring-Fünfring-Verknüpfungen 143,2 pm.

Weniger gut mikroskopisch definierte Kohlenstofformen finden schon seit langem vielfältige Anwendungen: Glaskohlenstoff, Faserkohlenstoff, Graphitfolien, Aktivkohle. Die ersten drei werden durch thermische Behandlung von organischen Polymeren hergestellt, Aktivkohle durch Reduktion von C-Verbindungen und schnelle Abscheidung des gebildeten Kohlenstoffs.

Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und tritt in Silikaten und als Quarz ($SiO_2$, Seesand) auf.

Silicium kann durch Reduktion mit Kohle bei 1800 $^\circ$C 

$$SiO_2 + 2C \longrightarrow 2CO + Si \qquad \Delta H^\circ = +690kJ mol^{-1}~$$

oder mit Aluminium

$$3SiO_2 + 4Al \longrightarrow 3Si + 2Al_2O_3 \qquad \Delta H^\circ = -619kJ mol^{-1}~$$

gewonnen werden.

Man kann heute höchstreine Siliciumeinkristalle von 1.5m Länge und 30cm Durchmesser herstellen. Aus der Weltproduktion 1990 von ca. 4000t wurden Elektronikbauteile im Wert von etwa SFr 70 000 000 000 erzeugt. Das seltene Germanium und das Blei werden in der Natur in Sulfiden gefunden. Zinn tritt vor allen als $SnO_2$ natürlich auf. Si, Ge und Sn (T $<$ 13$^\circ$C ) kristallisieren mit der Diamantstruktur und zeigen halbleitende Eigenschaften. Oberhalb von 13$^\circ$C hat Sn eine verzerrte Diamantstruktur und metallische Eigenschaften. Pb kristallisiert mit der kubisch dichtesten Kugelpackung.

Mineralienbilder:

• Graphit
• Diamant
• Achat
• Quarzdruse
• Bleiglanz (Galenit)