Graphit und Diamant Material
Werbung
r;/dl Material Bunsenstativ, h = 750 mm H-FuB "PASS" Stativstange, I= 600 mm Doppelmuffe Universalklemme Halter fUr 2 Elektroden Netzgerat, universal Lampenfassung E10 Gluhlampe 4 V/0,04 A, E10, 1 aus Verbindungsleitung, 500 mm, 32A, blau Verbindungsleitung, 750 mm, 32A, rot Verbrennungsrohr, Quarzglas, I= 300 mm, NS 19/26 Verbrennungsrohr, Quarzglas, I= 200 mm, mit Olive AnsatzstUck, NS 19/26 - GL 18/8 Schliffklemme, NS 19 Teflonmanschetten, NS 19, 2 aus Gasometer, 1000 ml Waschrohr mit Fritte, GL 25/8 Aufsatz nach Stutzer, GL 25/12 Glasrohrchen, rechtw., 85+60 mm, 1 aus I@J Graphit und Diamant 37694.00 02009.55 02037.00 37697.00 37715.00 45284.01 13500.93 06170.00 06154.03 07361.04 07362.01 1 1 2 5 5 1 1 1 1 2 1 33948.01 1 33949.00 35678.01 43614.00 43616.00 40461.00 36699.00 35791.15 1 2 2 1 2 1 1 36701.52 1 Dreiweghahn, T-formig Kapillarrohrchen, T-formig Schlauchklemme, b = 15 mm Teclubrenner, Erdgas Sicherheitsgasschlauch Anzunder fUr Erd- und Flussiggas Schlauchschelle, d = 12... 20 mm Stahlflasche Sauerstoff, 2 I, gef. Druckminderventil fUr Sauerstoff Stander fUr 2-1-Stahlflasche Maulschlussel fUr Stahlflaschen Exsikkator "Wertex" Exsikkatorplatte Morser mit Pistill, 150 ml Laborwaage mit Datenausgang, 620 g Wageschalen, PS, 85x85x7 mm, 1 aus Schmirgelpapier, 1 aus Glasplatten, 150x1 00x4 mm, 1 aus Haarpinsel, fein Becherglas, 150 ml, hohe Form Becherglas, 250 ml, hohe Form Spritzflasche, 500 ml Trichter, do = 55 mm 36731.00 37030.00 43631.15 32171.05 39281.10 38874.00 40995.00 41778.00 33482.00 41774.00 40322.00 34126.00 32474.00 32604.00 45023.93 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 45019.01 01605.02 35010.10 64702.00 36003.00 36004.00 33931.00 34457.00 1 1 1 1 1 1 1 1 Abb.1 . , . . . , . . ......y 'o •0 -. - o/1 (/O• ,o o. ...~ ~ 0 0 PHYWE SCHRIFTENREIHE • Demonstrationsversuche Chemie • PHYWE SYSTEME GMBH • 37070 Gottingen 11422 177 [crll IITJ ~'--------~ Graphit und Diamant Tiegelzange, Edelstahl Pinzette, gerade, stumpf, I= 200 mm Loffel mit Spatelstiel, Edelstahl GlassUibe, I= 300 mm, 1 aus Gummischlauch, al = 6 mm Kohlelektroden, d= 7 mm, 3 aus Quarzglaswolle, 10 g Graphit, fein, gepulvert, 50 g Diamantbruch, Packung a 1 Karat Kaliumhydroxid, Platzchen, 500g Silica-Gel, blau, gekornt, 500 g Wasser, dest., 51 Schneiddiamant (Giasschneider) Papier 33600.00 40955.00 33398.00 64869.03 39282.00 08155.00 31773.03 31344.05 31249.01 301 03.50 30225.50 31246.81 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 Sicherheitshinweis Wasserfreies Kaliumhydroxid wirkt stark atzend auf Haut, Augen und Schleimhaute. Staube und Nebel reizen die Atemorgane. Bei Veratzungen Gewebezerstorungen mit starken Schmerzen. Erste Hilfe: Betroffene Haut, Augen bei gut geoffnetem Lidspalt mit viel Wasser grOndlich spOien. Entsorgung: Alkalische Losungen neutralisieren (pH 6 - 8) und wegspOien. 1. GRAPHIT UNO DIAMANT: EIGENSCHAFTEN Durchfiihrung Etwas Graphitpulver wird auf ein Stock Papier gegeben und zwischen Daumen und Zeigefinger verrieben. Auf eine saubere Glasplatte drOckt man die lnnenseite eines Daumens oder eines Fingers. Dann wird die Glasplatte auf ein StOck weiBes Papier gelegt, der feine Pinsel in das Graphitpulver getaucht und der Fingerabdruck vorsichtig bepinselt. Mit einem Schneiddiamanten ritzt man eine Glasplatte. Nach Abbildung 1 werden eine Lampenfassung mit GIOhlampe und zwei Kohleelektroden mit dem Netzgerat verbunden. Die Kohleelektroden stehen, oh ne sich zu berOhren in einem Becherglas, dessen Soden mit Graphitpulver bedeckt ist. Ergebnis Graphitpulver fOhlt sich fettig an. Daumen und Zeigefinger gleiten leicht aufeinander. FingerabdrOcke konnen besser sichtbar gemacht werden. Der wesentlich hartere Diamant kann problemlos Glas ritzen. Graphit leitet den elektrischen Strom. Abb.2 178 11422 PHYWE SCHRIFTENREIHE • Demonstrationsversuche Chemie • PHYWE SYSTEME GMBH • 37070 Gottingen ~~~ a_nt------------------~~~ 1~ -------------------G-ra_p_h_i_t_u_n_d_D_ia_m __ Deutung Diamant und Graphit sind zwei Modifikationen des Kohlenstoff. Sie unterscheiden sich durch ihre Kristallstruktur. Im Graphit sind die Kohlenstoffatome in regelmaBigen Sechsecken miteinander verbunden, die in Schichten ubereinanderliegen. Da ein Kohlenstoffatom mit drei weiteren verbunden ist, bleibt ein ,freies" Elektron pro Atom ubrig. Diese Elektronen konnen zusatzliche Bindungen im Schichtgitter ausbilden. Dadurch erhalten die Elektronen eine gewisse Beweglichkeit, die auch fUr die Farbe und das elektrische Leitvermogen verantwortlich ist. Zwischen den Schichten werden nur schwache zwischenmolekulare Krafte wirksam. Daraus resultiert eine leichte Spaltbarkeit (Weichheit) langs der Ebenen (fettiger, schuppiger Charakter, Verwendung als Bleistift und als bei hohen Temperaturen bestandiges Schmiermittel). Der Diamant besitzt dagegen ein regelmaBiges dreidimensionales Gitter aus Kohlenstoffatomen. Dieser Gittertyp, bei dem jedes Kohlenstoffatom kovalent mit vier weiteren verbunden ist, ist auBerordentlich bestandig. Diamant ist der harteste aller bekannten Stoffe. Da auch keine ,freien" Elektronen existieren, ist Diamant ein absoluter Nichtleiter und farblos. 2. VERBRENNUNG VON GRAPHIT UNO ClAMANT Durchflihrung Eine Kohleelektrode wird in der Brennerflamme gut durchgegluht und zur Abkuhlung in einen Exsikkator (mit Silica-Gel als Trockenmittel) gegeben. Vor Versuchsbeginn schleift man die ausgegluhte Kohle mit Sandpapier ab, urn Verunreinigungen zu entfernen. Daraufhin wird ein etwa 1 cm groBes Stuck abgebrochen und in einem Morser zu kleineren Stucken zerstoBen. Einige dieser BruchstOcke bringt man zwischen Quarzglaswollebauschen in ein weites Verbrennungsrohr (Abb. 2) aus Quarzglas und wiegt das so befUIIte Rohr. Das Gewicht wird notiert. Dann wird das Rohr nach Abb. 2 am Stativ gehaltert und uber zwei Dreiweghahne mit einem Waschrohr und zwei Gasometern verbunden. Das Waschrohr wird etwa zu einem Drittel mit einer 25%igen Kalilauge (aus 12,5 g Kaliumhydroxid und 37,5 g Wasser) befUIIt und mit einem Aufsatz nach Stutzer (Spritzschutz) versehen. Ober ein T-Verbindungsstucks I und einen Gummischlauch wird der eine Gasometer m it 1000 ml Sauerstoff (Dreiweghahn in Position c; Abb. 2) gefUIIt, der Zuleitungsschlauch dann mit der Schlauchklemme fest verschlossen und der Dreiweghahn anschlieBend in Position a gedreht (Abb. 2). Die GraphitstOckchen erhitzt man moglichst stark mit dem Brenner. Dann druckt man den Sauerstoff zwischen den Gasometern einige Male langsam hin und her (Stellung der Dreiweghahne in Position a bzw. a'). Wenn die schwach gluhenden Graphitstuckchen beim Oberleiten des Gases nicht mehr aufgluhen, loscht man den Brenner und laBt das Verbrennungsrohr abkuhlen. Die Dreiweghahne werden in die Position b bzw. b' gedreht und das Gas in den Gasometern wird langsam ein paar Mal durch die Kalilauge gedruckt, bis das Volumen konstant bleibt. Das Endvolumen wird notiert. Das erkaltete Verbrennungrohr wird gewogen und auch dieses Gewicht notiert. Dann tauscht man es gegen ein enges Verbrennungsrohr (di = 3 mm) aus, in dem sich zwei bis drei Diamantsplitter zwischen Quarzglaswollebauschen (im Abstand von etwa 2 cm) befinden und wiederholt den oben beschriebenen Verbrennungsversuch. Ergebnis Kohlelektroden bzw. Graphitelektroden kann man in der Brennerflamme gluhen. Sie verbrennen nicht. Das Gasvolumen im Gasometer bleibt wahrend des Verbrennungsvorganges praktisch unverandert. Aus einem Raumteil umgesetzten Sauerstoffs entsteht ein Raumteil eines anderen Gases, das durch Kalilauge adsorbiert wird. C02 + KOH ~ KHC03 Aus der so in Kalilauge adsorbierten Menge an C02 laBt sich die aquivalente Menge des darin enthaltenen Kohlenstoffs errechnen. Diese entspricht der verbrannten Masse an Graphit bzw. Diamant, was durch einen Vergleich mit dem Ergebnis aus den Wagungen der Verbrennungrohre gezeigt werden kann. PHYWE SCHRIFTENREIHE • Demonstrationsversuche Chemie • PHYWE SYSTEME GMBH • 37070 Gottingen 11422 179 jiTI ~'---------~ ~~ Graphit und Diamant Deutung Graphit und Diamant sind zwei Modifikationen von reinem Kohlenstoff. Diamanten sind metastabil, doch ist ihre Umwandlungsgeschwindigkeit in Graphit sehr klein. Erst oberhalb von 1500°C erfolgt die Umwandlung von Diamant in Graphit spontan. Coiamant ---7 CGraphit D.H = -1 ,9 kJ/mol Die Strukturen dieser beiden Modifikationen (s.o.) sind sehr unterschiedlich, was sich in ihren vollig verschiedenen physikalischen Eigenschaften (Aussehen, Harte, etc.) auBert. Die chemischen Eigenschaften sind dagegen erwartungsgemaB recht ahnlich. Unter Normalbedingungen sind beide recht trage. Aus Graphit werden wegen seiner guten Bestandigkeit gegenuber Hitze und Temperaturwechsel sowie seiner guten Warmeleitfahigkeit Graphittiegel (Schmelzen von Metallen u.a.) hergestellt. Bei hoheren Temperaturen werden jedoch sowohl Graphit als auch Diamant durch Oxidationsmittel angegriffen. Graphit verbrennt oberhalb von 750°C und Diamant oberhalb von 850°C an der Luft langsam zu Kohlenstoffdioxid. In reinem Sauerstoff verbrennt Diamant unter hell em Aufleuchten. Neben den Modifikationen Graph it und Diamant sind vom Kohlenstoff noch andere Formen (Aktivkohle, RuB) bekannt. Sie sind jeoch keine echten Modifikationen, da sie aus einem ungeordneten Gerust von Kohlenstoffatomen mit Bereichen von winzigen Graphitkristallen bestehen. Hinweis Die Unterschiede in der Struktur und Bindung bei Graphit und Diamant lassen sich fUr die SchUier gut erkennbar an entsprechenden Kristallmodellen demonstrieren (z.B.: Best.-Nr. 39868.00 und 39869.00). Hinweise zu Kapitel 18 Die Experimente zu Kapitel 18 (Kohlenstoff und seine wichtigsten Verbindungen) zeigen, daB Graph it, Diamant und Kohle vom auBeren Eindruck sehr verschieden sind, und daB sie in sehr unterschiedlichen industriellen Bereichen eingesetzt werden. In chemischen Reaktionen zeigt sich aber, daB sie nur die verschiednen Modifikationen ein und des selben Elementes sind. Desweiteren werden das Vorkommen und die Eigenschaften der Kohlenstoffoxide und der Kohlensaure vorgestellt und die Zusammenhange am Beispiel Calciumcarbonat und Wasserharte erlautert. 180 11422 PHYWE SCHRIFTENREIHE • Demonstrationsversuche Chemie • PHYWE SYSTEME GMBH • 37070 Giittingen
