Kohlenstoff und Carbide: Ein umfassender Vergleich

Kohlenstoff ist ein Grundelement und bildet die Grundlage zahlreicher Werkstoffe, darunter Diamanten und Graphit. Seine Vielseitigkeit reicht bis zur Bildung von Carbiden, Verbindungen mit besonderen Eigenschaften.

In diesem Blogbeitrag werden die Unterschiede zwischen Kohlenstoff und seinen verschiedenen Allotropen und Carbiden untersucht. Wir werden uns eingehend mit ihren Eigenschaften befassen, darunter Härte, thermische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität und magnetische Eigenschaften, und einen umfassenden Vergleich für Branchenexperten bereitstellen.

Was ist Kohlenstoff

Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches chemisches Element mit dem Symbol C und der Ordnungszahl 6. Es ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste Element im Universum. Kohlenstoff ist aufgrund seiner Fähigkeit, stabile kovalente Bindungen mit sich selbst und anderen Elementen zu bilden, äußerst vielseitig, was zu einer Vielzahl von Verbindungen führt.

Allotrope von Kohlenstoff

Diamant

Diamant ist ein metastabiles Allotrop des Kohlenstoffs, bei dem jedes Kohlenstoffatom kovalent an vier andere Atome in einer Tetraedergitteranordnung gebunden ist, was zu einer äußerst starren Kristallstruktur führt.

Graphit

Graphit ist unter Standardbedingungen die stabilste Form von Kohlenstoff. Es hat eine geschichtete, planare Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom kovalent an drei andere in einem hexagonalen Gitter gebunden ist und Schichten bildet, die als Graphen bezeichnet werden.

Fullerene und Nanoröhren

Fullerene sind Allotrope, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem geschlossenen oder teilweise geschlossenen Netz angeordnet sind, typischerweise in Form einer hohlen Kugel, eines Ellipsoids oder einer Röhre. Das erste entdeckte und bekannteste Fulleren ist Buckminsterfulleren (C₆₀), ein hohles, kugelförmiges Molekül, das einem Fußball ähnelt.

Kohlenstoffnanoröhren sind zylindrische Fullerene mit einem Längenverhältnis von oft über 1.000.000. Sie können einwandig mit einem Durchmesser von knapp 1 nm oder mehrwandig aus mehreren konzentrischen Röhren bestehen.

Was sind Carbide

Carbide sind Verbindungen aus Kohlenstoff und einem weniger elektronegativen Element, typischerweise einem Metall. In Carbiden weist Kohlenstoff im Allgemeinen negative Oxidationsstufen auf, oft -4. Die relativ geringe Größe von Kohlenstoffatomen ermöglicht eine umfangreiche Einfügung in die Kristallgitter von Metallen.

Carbide zeichnen sich im Vergleich zum Grundmetall durch hohe Härte, hohe Schmelzpunkte und gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aus. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der starken Bindung zwischen Kohlenstoff- und Metallatomen.

Arten von Carbiden

Carbide können je nach der Art ihrer Bindung grob in drei Kategorien eingeteilt werden: ionisch (salzartig), kovalent und interstitiell (metallisch).

Ionische (salzartige) Carbide

Ionische oder salzartige Carbide bilden sich zwischen Kohlenstoff und stark elektropositiven Elementen wie Alkali- und Erdalkalimetallen. Die Bindung ist durch die Übertragung von Elektronen vom Metall auf Kohlenstoff gekennzeichnet, wodurch Ionen durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten werden. Beispiele sind:

• Calciumcarbid (CaC₂): Wird bei der Herstellung von Acetylen und Calciumcyanamid verwendet. Reagiert mit Wasser zu Acetylengas.
• Magnesiumcarbid (Mg₂C₃): Wird auch bei der Herstellung von Acetylen verwendet. Reagiert heftiger mit Wasser als CaC₂.

Ionische Carbide sind aufgrund der hohen negativen Ladung der Kohlenstoffatome typischerweise instabil und reaktiv. Sie zersetzen sich in Wasser und verdünnten Säuren zu Kohlenwasserstoffen.

Kovalente Carbide

Kovalente Carbide bilden sich zwischen Kohlenstoff und weniger elektropositiven Elementen mit ähnlicher Elektronenaffinität wie Silizium, Bor und Wolfram. Bei der Bindung werden Elektronen auf kovalente Weise geteilt, was zu Verbindungen mit einem hohen Grad an kovalentem Charakter führt. Beispiele sind:

• Siliziumkarbid (SiC): Bekannt als Karborund, wird es aufgrund seiner Härte und thermischen Stabilität als Schleifmittel und in Hochtemperaturkeramiken verwendet.
• Borcarbid (B₄C): Einer der härtesten bekannten Werkstoffe, der in Panzerungen, kugelsicheren Westen und Schleifmitteln verwendet wird.
• Wolframkarbid (WC): Wird aufgrund seiner hohen Härte und Zähigkeit in Schneidwerkzeugen, Schleifmitteln und verschleißfesten Teilen verwendet.

Kovalente Carbide haben im Allgemeinen einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Härte und eine hohe chemische Stabilität. Aufgrund der Abwesenheit freier Elektronen sind sie Halbleiter oder Isolatoren.

Interstitielle (metallische) Carbide

Interstitielle oder metallische Carbide entstehen, wenn Kohlenstoffatome in die Zwischenräume eines Metallgitters passen, häufig von Übergangsmetallen. Die geringe Größe von Kohlenstoff ermöglicht eine umfangreiche Einfügung, ohne das Metallgitter wesentlich zu stören. Beispiele sind:

• Eisenkarbid (Fe₃C), auch Zementit genannt, ist ein wichtiger Bestandteil von Stahl und Gusseisen und trägt zu deren Härte bei.
• Titancarbid (TiC) wird aufgrund seiner hohen Härte und thermischen Stabilität in Schneidwerkzeugen und verschleißfesten Beschichtungen verwendet.
• Wolframkarbid (WC) ist trotz seiner kovalenten Bindungseigenschaften ebenfalls ein interstitielles Karbid.

Interstitielle Carbide weisen gemischte Bindungen mit einer Kombination aus kovalenten, ionischen und metallischen Komponenten auf. Sie zeichnen sich durch hohe Härte, hohe Schmelzpunkte und gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aus.

Was sind die Hauptunterschiede zwischen ionischen, interstitiellen und kovalenten Carbiden?

Die Hauptunterschiede zwischen ionischen, interstitiellen und kovalenten Carbiden liegen in ihrer Bindungsnatur, die ihre Struktur und Eigenschaften bestimmt:

Verklebung

• Bei ionischen Carbiden findet ein Elektronentransfer vom Metall zum Kohlenstoff statt, was zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen den Ionen führt.
• Bei kovalenten Carbiden werden Elektronen zwischen Kohlenstoff und dem anderen Element geteilt, wodurch gerichtete kovalente Bindungen entstehen.
• Interstitielle Carbide weisen eine Mischung aus kovalenten, ionischen und metallischen Bindungen auf, wobei Kohlenstoffatome in das Metallgitter eingefügt sind.

Struktur

• Ionische Carbide haben eine salzartige Struktur mit abwechselnden Kationen und Anionen.
• Kovalente Carbide haben eine netzwerkartige kovalente Struktur mit starken gerichteten Bindungen.
• Interstitielle Carbide behalten die Kristallstruktur des Grundmetalls mit Kohlenstoff an den Zwischengitterplätzen bei.

Stabilität

• Ionische Carbide sind im Allgemeinen instabil und reaktiv und zersetzen sich in Wasser und verdünnten Säuren.
• Kovalente Carbide sind aufgrund starker kovalenter Bindungen chemisch stabil und inert.
• Interstitielle Carbide haben eine mittlere bis gute chemische Stabilität.

Elektronische Eigenschaften

• Ionische Carbide sind aufgrund der Abwesenheit freier Elektronen Isolatoren.
• Kovalente Carbide sind je nach Bandlücke Halbleiter oder Isolatoren.
• Interstitielle Carbide sind aufgrund der Anwesenheit freier Elektronen metallische Leiter.

Physikalische Eigenschaften

• Ionische Carbide haben im Vergleich zu kovalenten und interstitiellen Carbiden eine geringere Härte und einen niedrigeren Schmelzpunkt.
• Kovalente Carbide haben eine sehr hohe Härte, hohe Schmelzpunkte und eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
• Interstitielle Carbide haben eine hohe Härte, hohe Schmelzpunkte und eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Unterschied zwischen Kohlenstoff und Carbiden

Härte und Verschleißfestigkeit

Reiner Kohlenstoff in Form von Graphit hat eine relativ geringe Härte von 0,5-1 auf der Mohs-Skala. Im Gegensatz dazu weisen Carbide im Allgemeinen viel höhere Härtewerte auf. Beispielsweise hat Wolframcarbid (WC) eine Härte von 9-9,5 auf der Mohs-Skala und ist damit eines der härtesten bekannten Materialien.

Thermische Stabilität und Schmelzpunkte

Graphit, die stabilste Form von Kohlenstoff unter Standardbedingungen, sublimiert bei 3.642 °C (6.588 °F), ohne zu schmelzen. Carbide hingegen haben im Allgemeinen einen hohen Schmelzpunkt, der jedoch niedriger ist als der von Graphit. Beispielsweise hat Titancarbid (TiC) einen Schmelzpunkt von 3.160 °C (5.720 °F), während Siliziumcarbid (SiC) bei 2.730 °C (4.946 °F) schmilzt.

Elektrische Leitfähigkeit

Graphit ist aufgrund seiner delokalisierten π-Elektronen, die eine leichte Elektronenbewegung ermöglichen, ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Seine elektrische Leitfähigkeit beträgt etwa 3 x 10^5 S/m. Im Gegensatz dazu sind die meisten Carbide Halbleiter oder Isolatoren. Beispielsweise hat Siliziumkarbid (SiC) eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 10^-6 bis 10^3 S/m.

Chemische Reaktivität

Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, ist bei Raumtemperatur relativ inert und resistent gegen chemische Angriffe. Bei hohen Temperaturen kann er jedoch oxidieren und Kohlendioxid bilden. Carbide hingegen weisen je nach Typ unterschiedliche chemische Reaktivitäten auf. Salzartige Carbide wie Calciumcarbid (CaC2) reagieren stark mit Wasser und erzeugen entzündbares Acetylengas. Kovalente Carbide wie Siliziumcarbid (SiC) sind aufgrund der starken kovalenten Bindung zwischen Kohlenstoff- und Siliziumatomen im Allgemeinen chemisch inerter und oxidationsresistenter.

Magnetische Eigenschaften

Reiner Kohlenstoff ist in all seinen allotropen Formen diamagnetisch, d. h. er weist in Gegenwart eines äußeren Magnetfelds eine schwache Abstoßung auf. Im Gegensatz dazu können einige Carbide, insbesondere Übergangsmetallcarbide, magnetische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist Eisencarbid (Fe3C), auch als Zementit bekannt, ferromagnetisch, d. h. es kann magnetisiert und von Magneten angezogen werden. Diese Eigenschaft ergibt sich aus der Anwesenheit von Eisenatomen in der Carbidstruktur.

FAQs

Wie werden Carbide synthetisiert?

Carbide werden typischerweise durch Hochtemperaturreaktionen synthetisiert. Gängige Methoden sind die direkte Reaktion eines Elements mit Kohlenstoff oder die Reaktion eines Metalloxids mit Kohlenstoff in einem Lichtbogenofen, wie bei der Herstellung von Calciumcarbid (CaC₂) aus Kalk (CaO) und Koks bei etwa 2000 °C.

Können Carbide recycelt werden?

Ja, viele Carbide können recycelt werden. Wolframcarbid wird beispielsweise häufig recycelt, da es sehr wertvoll und selten ist. Der Recyclingprozess umfasst chemische Behandlungen oder Zinkschmelzen, um Wolfram und Kobalt aus Hartmetallschrott zurückzugewinnen, was zu einer Materialrückgewinnung von über 80 % führt.

Können Kohlenstoff und Carbide zusammen in derselben Anwendung verwendet werden?

Auf jeden Fall. In Verbundwerkstoffen werden Kohlenstofffasern häufig mit Hartmetallbeschichtungen kombiniert, um die Eigenschaften zu verbessern. Beispielsweise werden kohlenstofffaserverstärkte Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe (C/SiC) in Hochleistungsbremsscheiben verwendet, die von der Festigkeit des Kohlenstoffs und der Verschleißfestigkeit des Siliziumkarbids profitieren.