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Graphit

Graphit
Graphite (very pure) - Ceylon.jpg
Sehr reiner Graphit aus dem ehemaligen Ceylon, heute Sri Lanka
Chemische Formel C
Mineralklasse Elemente - Halbmetalle, Nichtmetalle
1.CB.05a (8. Auflage: I/B.02) nach Strunz
01.03.06.02 nach Dana
Kristallsystem hexagonal
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin 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, beim idealen Einkristall 2,26
Glanz Metallglanz, matt
Transparenz undurchsichtig
Bruch uneben, biegsam
Spaltbarkeit vollkommen, Schichtabstand 0,335 nm beim idealen Einkristall
Habitus hexagonale, tafelige, schuppige, stegelige, Kristalle; massige, körnige Aggregate
Häufige Kristallflächen {001}
Kristalloptik
Brechungsindex n=1,93-2,07 (rot)
Doppelbrechung
(optischer Charakter)		 ; einachsig negativ
Pleochroismus stark rot
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen plast. verformbar bei > 2.500 °C
Schmelzpunkt keiner, sublimiert unter Normaldruck bei ca. 3.750 °C
Chemisches Verhalten unlöslich in nicht-oxidierenden Säuren
ähnliche Minerale Molybdänit (Molybdänglanz)
Magnetismus diamagnetisch
Besondere Kennzeichen hohe Anisotropie (z.B. Härte, Leitfähigkeit)

Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der "Elemente". Er ist eine der natürlichen Erscheinungsformen des chemischen Elements Kohlenstoffin Reinform. Er kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im trigonalen Kristallsystem.

Graphit bildet 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 Mohshärtebeträgt zwischen 1 und 2, seine Dichteetwa 2,1 bis 2,3 g/cm3, und er hat eine grauschwarze Strichfarbe.

Highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) ist eine sehr reine Form von Graphit.

Besondere Eigenschaften

Graphit sublimiert in einer sauerstofffreien Umgebung bei einer Temperatur von 3825 °C. Unter Sauerstoffeinwirkung entzündet sich Graphit bei etwa 600 °C. Graphit ist beständig gegen nichtoxidierende Säuren und ist diamagnetisch. Auffällig ist das stark anisotrope Verhalten von Graphit, insbesondere hinsichtlich Härte und elektrischer 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 rauen Oberflächen durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift ihre Anwendung findet.

Die Verwendung von Graphit kann in der prähistorischen Zeit auf eine lange Tradition in Europa zurückblicken. Die ersten Hinweise einer Verwendung kennt man aus dem Mesolithikum Norditaliens. Rohgraphitstücke wurden als Färbemittel benutzt und den Toten in die Gräber mitgegeben. Für das Neolithikum finden sich in Böhmen zahlreiche Belege von Graphitton- und graphitierter Keramik. In Bayern fällt in der Frühbronzezeit vor allem die Straubinger Kultur durch starken Graphitgebrauch auf.

In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (Latènezeit) wurde Graphit gerne verwendet, um die Gefäße, vor allem Kochtöpfe feuerfester zu machen. Es fand während dieser Zeit ein großflächiger Handel statt, der die gesamte Verbreitung der Latène-Kultur umfasste. 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. In Asien (vor allem dem schon frühzeitig schriftkundigen China) hat Graphit als Schreibmaterial erstaunlicherweise keine Rolle gespielt.

Im 16. Jahrhundert entdeckten die Engländer ein großes Vorkommen an reinem Graphit, welches sie jedoch für eine Form des Bleiminerals Bleiglanz (Plumbago) hielten. Erst Carl Wilhelm Scheele gelang 1779 der Nachweis, dass es sich bei Graphit um reinen Kohlenstoff handelt. Trotz Scheeles Nachweis hält sich der Begriff Bleistift bis heute. Da sich Graphit nicht nur als gutes Schreibmaterial, sondern auch als perfektes Material für Gussformen von Kanonenkugeln herausstellte, hatte er auch eine gewisse militärische Bedeutung. So wurde deshalb z.B. während der napoleonischen Kriege Anfang des 19. Jahrhunderts die Ausfuhr von Bleistiften von Großbritannien nach Frankreich verboten.

Klassifikation

Bereits in der mittlerweile veralteten, aber noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Graphit zur Mineralklasse der "Elemente" und dort zur Abteilung der "Halbmetalle und Nichtmetalle", wo er zusammen mit Chaoit, Diamant, Fullerit, Lonsdaleit und Moissanit "Kohlenstoff-Gruppe" mit der System-Nr. I/B.02 bildete.

Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) verwendete 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Graphit ebenfalls in die Klasse der "Elemente" und dort in die Abteilung der "Halbmetalle (Metalloide) und Nichtmetalle" ein. Diese Abteilung ist allerdings weiter unterteilt nach den in der Verbindung auftretenden Hauptelementen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung "Kohlenstoff-Silicium-Familie" zu finden ist, wo es als einziges Mitglied die unbenannte Gruppe 1.CB.05a bildet.

Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Graphit in die Klasse der "Elemente" und dort in die gleichnamige Abteilung ein. Hier ist er zusammen mit Diamant, Lonsdaleit, Chaoit und Fullerit in der "Gruppe der Kohlenstoffpolymorphe" mit der System-Nr. 01.03.06 innerhalb der Unterabteilung "Elemente: Halbmetalle und Nichtmetalle" zu finden.

Modifikationen und Varietäten

Graphit ist neben Diamant und Fulleren die dritte unter irdischen Standardbedingungen stabile Form (Modifikation) des Kohlenstoffs. Eine weitere Modifikation, der Lonsdaleit, entsteht nur durch außergewöhnliche Schockereignisse wie beispielsweise bei einem Meteoriteneinschlag.

Bildung und Fundorte

Graphit im Calcit aus Pargas, Finnland

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

Es existieren zahlreiche Graphitfundorte weltweit. Von wirtschaftlicher Bedeutung sind aber vor allem die 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 zurzeit nur noch wenige aktive Graphitbergwerke. In der Ukraine, in Norwegen 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 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 graphitfördernden Ländern ein (Höchststand 1964 mit etwa 100.000 Tonnen Förderung). Der größte Bergbau befand sich in Kaisersberg bei Sankt Stefan ob Leoben in der Steiermark. Er wurde 1997 stillgelegt; seit Frühjahr 2008 wird im dortigen "Marie-Stollen" wieder 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 85 % gewonnen wurde.

In Deutschland war und ist der Graphit-Bergbau von Kropfmühl/Landkreis Passau bedeutsam. Am 21. Juni 2012 wurde das Graphitbergwerk am Standort Kropfmühl offiziell wieder eröffnet. Der Abbau ist, laut einer Pressemitteilung des Unternehmens, aufgrund der steigenden Nachfrage nach Graphit und der Preisentwicklung am Weltmarkt wieder rentabel geworden.

Synthetische Herstellung

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

Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt. Bedeutende Hersteller sind unter anderem SGL Carbon (Deutschland), Schunk Kohlenstofftechnik (Deutschland) und Morgan Crucible (Großbritannien) .

Kristallstruktur

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 den Ebenen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:

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

Die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit sind jedoch nicht nur strukturbedingt, denn sie treten nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren auf.

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 0,335 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.

Fullerene 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

Nukleargraphit

Vor allem bis ca. 1990 wurde Graphit in hochgereinigter Form in Kernreaktoren als Moderator und bei den deutschen Kugelhaufenreaktoren zusätzlich als Brennelementmatrix eingesetzt. Die guten Moderationseigenschaften sowie die hohe Temperaturstabilität von Graphit waren ausschlaggebende Kriterien zur Wahl dieses Materials. Die Graphitbrände des britischen Windscale-Reaktors 1957 in Sellafield sowie des RBMK-Reaktors in Tschernobyl 1986 haben jedoch Bedenken bezüglich der sicherheitstechnischen Eignung von Graphit in Nuklearsystemen aufkommen lassen. Als Probleme kommen hinzu die Reaktionsfähigkeit mit Wasserdampf (> 900 °C) unter Bildung brennbarer Gase und die Neigung zu nuklearen Instabilitäten im System Graphit/Wasser.

Derzeit gibt es weltweit 250.000 t bestrahlten Nukleargraphit (Deutschland ca. 1.000 t), für den es wegen seines hohen Gehalts an C-14 (radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 5.700 Jahren) noch keine ökonomisch und ökologisch akzeptable Endlagerstrategie gibt.

Weitere Verwendungsmöglichkeiten

Graphitierte Kohlenstoffe: Streifen einer Graphitplatte; Faserbündel mit ca. 5000 Kohlenstoff-Fasern; zylindrische Elektrode; Graphit-Folie (1 Cent-Münze zum Größenvergleich).
Zwei Kohlebürsten

Graphit wird vielfältig genutzt als

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 14.09. 2021