Chemisches Verhalten von Kohlenstoff

Bei Temperaturen unterhalb 700$^\circ$C wird Graphit nicht perfluoriert

$$nC + n / 2F_2 \longrightarrow (CF)_n$$

Das polymere $(CF)_n$ ist eine chemisch äussert inerte Substanz mit einer Schichtstruktur aus sesselförmigen Kohlenstoffringen mit $sp^3-$Hybridisierung von C. Oberhalb von 700$^\circ$C entsteht $CF_4$.

Abbildung 35: Graphitverbindungen.
(a) Eine Schicht im Graphitfluorid (CF)$_n$. Alle $\pi$-Elektronen des Elektronengases des Graphits sind die Bindungen mit F-Atomen lokalisiert. CF ist daher nichtleitend und farblos. Die C-Atome sind sp$^3$-hybridisiert, die Schichten daher gewellt. Die Bindungen sind Einfachbindungen. Der Abstand zwischen den Schichten beträgt ca. 700 pm (335 pm im Graphit). Im Kristall liegen die Schichten spiegelbildlich übereinander, so dass jede dritte Schicht dieselbe Lage einnimmt.
(b) Zwei Schichten im Graphitfluorid (C$_2$F)$_n$.
Die Schichten sind durch kovalente Bindungen verbunden. Die eine Hälfte der sp$_3$-hybridisierten C-Atome ist an F-Atome bebunden, die andere Hälfte an C-Atome der Nachbarschicht. Im Kristall liegen die Schichtpakete spiegelbildlich übereinander. ihr Abstand beträgt 800 pm.

$CCl_4$ ist ein nichtbrennbares Lösungsmittel.

Graphit bildet mit sowohl Alkalimetallen (Lewisbasen) als auch mit Lewissäuren sogenannte Interkalationsverbindungen.

Der Name besagt, dass die Graphitschichten erhalten bleiben und die Gastspezies zwischen die Schichten eingelagert werden.

Die Interkalation (Einlagerung) ist bei einigen eingelagerten Spezies reversibel (z.B. Alkalimetalle).

$C_{24}^{~+}HSO_4^{~-}(H_2SO_4)_{2.4}$ ist ein guter Katalysator für die Veresterung. $C_8K$ (Abb. 36) ist ein selektives Reduktionsmittel.

Abbildung 36: C$_8$K.
Die Kohlenstoffschichten liegen genau übereinander (Schichtfolge AAA...). Der Schichtabstand beträgt 540 pm. Beim Graphit ist die Schichtfolge ABAB... oder ABCABC..., der Schichtabstand 335 pm. Bei den Kaliumgraphitverbindungen höherer Stufen fehlt das mittlere K-Atom. Es bleiben also $\frac{1}{3}$ der K-Plätze unbesetzt und die 2. Stufe hat daher die Zusammensetzung C$_{24}$K.

Auch Fullerene bilden ähnliche Verbindungen:

• $C_{60}F_{60}$,

• $C_{60}H_{36}$ enthalten noch C=C-Doppelbindungen.

• $C_{60}Br_{24}$ ist ein wichtiges Zwischenprodukt für weiterführende Reaktionen.

Bei den Alkalimetallverbindungen sind bisher Zusammensetzungen von

• $M_3C_{60}$ (gute Supraleiter mit M=Rb, Cs),
• $M_4C_{60}$,
• $M_6C_{60}$ und
• $Na_9C_{60}$ bekannt.

Die Fullerenkäfige können heute chemisch geöffnet werden.