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
Griechischenen 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
STM-Aufnahme einer Graphitoberfläche. Zu sehen sind diejenigen Oberflächenatome, die ein unmittelbares Nachbaratom in der nächstunteren Schicht besitzen (mit Punktlinie verbundene Atompositionen im oberen Bild)
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Graphit-Basalebenenstapel im Querschnitt
Im kristallinen Graphit liegen parallel verlaufende ebene Schichten, die 'Basalebenen' oder 'Graphen-Schichten', vor. Eine Schicht besteht aus kovalent verknüpften Sechsecken, deren Kohlenstoff-Atome sp
2-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 planparalleles wie die Seiten eines Buch, 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.
Weblinks
Grafit
Grafiitti
Graphite
Grafitt
Grafit
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