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Graphit



Graphit
Chemismus C
Mineralklasse Elemente - Halbmetalle, Nichtmetalle
I/B.02-10 (nach Strunz)
1.3.6.2 (nach Dana)
Kristallsystem hexagonal
Kristallklasse dihexagonal-dipyramidal 6/m\ 2/m\ 2/m
Farbe grau bis schwarz
Strichfarbe grauschwarz
Mohshärte 1 bis 2
Dichte (g/cm³) 2,1 bis 2,3
Glanz Metallglanz, matt
Transparenz undurchsichtig
Bruch uneben, biegsam
Spaltbarkeit vollkommen
Habitus hexagonale, tafelige, schuppige, stegelige, Kristalle; massige, körnige Aggregate
Häufige Kristallflächen {001}
Zwillingsbildung
Kristalloptik
Brechzahl n=1,93-2,07 (rot)
Doppelbrechung
(optische Orientierung)
 ; einachsig negativ
Pleochroismus stark rot
Winkel/Dispersion
der optischen Achsen
2vz ~
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen
Schmelzpunkt 3700°C
Chemisches Verhalten nicht löslich in Säuren
Ähnliche Minerale Molybdänit (Molybdänglanz)
Radioaktivität nicht radioaktiv
Magnetismus pyrolytischer Graphit ist diamagnetisch
Besondere Kennzeichen hohe Anisotropie (z.B. Härte, Leitfähigkeit)

Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Elemente und gehört zur Ordnung der Halbmetalle und Nichtmetalle. Er ist neben Diamant und Fulleren die dritte unter irdischen Normalbedingungen stabile Form (Modifikation) des Kohlenstoffs und kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im rhomboedrischen Kristallsystem.

Graphit entwickelt undurchsichtige, graue bis schwarze Kristalle in sechseckiger, tafeliger, schuppiger oder stegeliger Form, die auf den Kristallflächen Metallglanz aufweisen. Massige oder körnige Aggregate sind dagegen matt. Seine Mohshärte beträgt zwischen 1 und 2, seine Dichte etwa 2,1 bis 2,3, und er hat eine grauschwarze Strichfarbe.

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Inhaltsverzeichnis

Besondere Eigenschaften

Graphit sublimiert bei einer Temperatur von 3825°C . Er löst sich durch Säuren nicht auf und ist unter Normalbedingungen unmagnetisch. Durch Pyrolytische Behandlung wird Graphit jedoch diamagnetisch. Auffällig ist das starke anisotropische Verhalten von Graphit insbesondere der Härte und der elektrischen Leitfähigkeit.

Etymologie und Geschichte

Der Name leitet sich aus dem Griechischen γραφειν (graphein) ab, was schreiben bedeutet. Er spielt damit auf die Tatsache an, dass Graphit auf Papier oder anderen rauhen Oberflächen durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift zum Schreiben genutzt werden kann.

Die Verwendung von Graphit kann in der prähistorischen Zeit auf eine lange Tradition zurückblicken. Die ersten Hinweise einer Verwendung kennt man aus dem Mesolithikum aus Norditalien. Rohgraphitstücke wurden als Färbemittel benutzt und den Toten in die Gräber mitgegeben. Für das Neolithikum finden wir in Böhmen zahlreiche Belege von Graphitton - und graphitierter Keramik. Für Bayern ist in der frühen Bronzezeit vor allem die Straubinger Kultur von Bedeutung, die durch starken Graphitgebrauch auffällt. In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (La-Tène-Zeit) wurde Graphit gerne verwendet, um die Gefäße , vor allem aber Kochtöpfe, feuerfester zu machen. Es fand während dieser Zeit ein großflächiger Handel, der die gesamte Verbreitung der La-Tène-Kultur umfasste, statt. Hier waren besonders die Vorkommen bei Passau und Krummau bedeutsam. Nach dem Zusammenbruch der keltischen Kultur in Mitteleuropa im Zuge der römischen Eroberung und der germanischen Expansion dauert es etwa 800 Jahre, bis ins frühe Mittelalter, bis im slawischen Ostmitteleuropa im größeren Stil wieder Graphit verwendet wurde.

Bildung und Fundorte

Graphit kommt in der Natur in Form vereinzelter Flocken und Körner in kohlenstoffreichem, metamorphem Gestein und als Adern in Pegmatit vor.

Abgebaut wird Graphit vor allem in der Volksrepublik China, Korea, Madagaskar, Simbabwe, Brasilien und Indien sowohl im Tagebau als auch unter Tage. Pro Jahr handelt es sich dabei um ca. 600.000 Tonnen.

In Europa gibt es zur Zeit nur noch wenige aktive Graphitbergwerke. In der Ukraine und in Tschechien wird makrokristalliner Naturgraphit in unterschiedlicher Qualität unter Tage abgebaut. Bei dem makrokristallinen Naturgraphit sind die einzelnen Graphitkristallitpakete (Flocken) gut erhalten und sichtbar. In Norwegen und in Österreich wurden dagegen mikrokristalline Naturgraphite gewonnen, deren Kristalle nicht so deutlich ausgeprägt sind.

Österreich nahm in den 1960er-Jahren den nach Südkorea zweiten Platz unter den graphiterzeugenden Ländern der Erde ein (Höchststand 1964 mit etwa 100.000 Tonnen Förderung). Der größte und 1997 eingestellte Bergbau befand sich in Kaisersberg bei St. Michael in der Steiermark; an der Wiedereröffnung dieses Bergbaus wird 2006 gearbeitet. Bis 1991 bestand in Sunk bei Trieben im Paltental (Steiermark) ein Bergbau, in dem Graphit mit einem sehr hohen Kohlenstoffanteil von zum Teil über 80% gewonnen wurde. Weitere kleine Graphitbergbaue bestanden bis in die 1970er-Jahre am Semmering, im Liesingtal (Steiermark), im Dunkelsteiner Wald (Niederösterreich) sowie im Waldviertel, wobei hier das seit 1831 in Abbau stehende Vorkommen in Mühlbach am bedeutendsten war. In Deutschland war der Graphit-Bergbau von Kropfmühl/Bayerischer Wald bedeutsam.

Künstliche Herstellung

Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierbare Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Peche, aber auch Kunststoffe. Bei der Graphitierung erfolgt durch Erhitzen unter Luftabschluss auf etwa 3.000 °C noch eine Umwandlung vom amorphen Kohlenstoff zum polykristallinen Graphit.

Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt. Die weltweit bedeutendsten Hersteller sind SGL Carbon (Deutschland), GRAFTECH (USA), Schunk Kohlenstofftechnik (Deutschland), Graphite India (Indien), Morgan Crucible (Großbritannien) und Carbone Lorraine (Frankreich).

Struktur

      Im kristallinen Graphit liegen parallel verlaufende ebene Schichten, die "Basalebenen" oder "Graphen-Schichten", vor. Eine Schicht besteht aus kovalent verknüpften Sechsecken, deren Kohlenstoff-Atome sp2-hybridisiert sind. Innerhalb dieser Ebenen beträgt die Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoff-Atomen 4,3 Elektronenvolt, zwischen ihnen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:

  • Leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Basalebenen, deutlich höhere Festigkeit entlang der Kristallschichten;
  • Thermische und elektrische Isolation orthogonal zu den Basalebenen gegenüber einer fast metallischen Leitfähigkeit entlang der Ebenen.

Die Leitfähigkeit innerhalb einer Ebene wird durch die Delokalisation der π-Elektronen ermöglicht.

Weisen die Ebenen keine feste Korrelation zueinander auf, spricht man von turbostratischem Kohlenstoff.

Die durchstrahlungs-elektronenmikroskopische (TEM-)Aufnahme zeigt Basalebenenstapel in Graphit. Die Überlagerung verkippter Stapel erzeugt Moiré-Streifen; die Basalebenenabstände von 0,34 Nanometer werden hier nicht aufgelöst.

Im sogenannten Glaskohlenstoff liegen die Ebenen dagegen nicht planparallel wie die Seiten eines Buches, sondern wie geknülltes Papier. Dieser Kohlenstoff ist hart und isotrop wie Glas, daher sein Name. Durch besondere Behandlung (Streckung von Kunststofffasern und anschließendes Graphitieren) gelingt es, die Ebenen in Faserrichtung zu orientieren. Das Ergebnis sind hochfeste Kohlenstofffasern.

Fulleren und Nanoröhren besitzen nur eine Basalebene, die im ersten Fall zu einer Kugel, im zweiten Fall zu Röhren gekrümmt sind. Auch hier sind die Übergänge zum Graphit fließend. Weitere Schichten können sich zwiebelartig anlagern und rußartiges Pulver bilden.

Verwendung

  Graphit wird vielfältig genutzt als

Siehe auch

Literatur

  • Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie. Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0
  • Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. 4. Auflage. Christian Weise Verlag, München 2002, ISBN 3-921656-17-6
  • Ryschkewitsch, E.: Graphit. Charakteristik, Erzeugung, Verarbeitung und Verwendung. Leipzig. 1926.
  • Kappel, I.: Die Graphittonkeramik von Manching. Wiesbaden. 1969.
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Graphit aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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