AMORPHER KOHLENSTOFF: ARTEN, EIGENSCHAFTEN UND VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Der amorphe Kohlenstoff ist eine allotrope Struktur, die mit Kohlenstoffmolekulardefekten und -unregelmäßigkeiten gefüllt ist. Der Begriff Allotrop bezieht sich auf ein einzelnes chemisches Element wie das Kohlenstoffatom, das unterschiedliche Molekülstrukturen bildet; einige kristallin und andere, wie in diesem Fall, amorph.

Amorphem Kohlenstoff fehlt die langreichweitige Kristallstruktur, die Diamant und Graphit charakterisiert. Dies bedeutet, dass das Strukturmuster leicht konstant bleibt, wenn Bereiche des Festkörpers betrachtet werden, die sehr nahe beieinander liegen. und wenn sie fern sind, werden ihre Unterschiede offensichtlich.

Brennende Holzkohle. Quelle: Pixabay

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften oder Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff unterscheiden sich ebenfalls von denen von Graphit und Diamant. Zum Beispiel gibt es die berühmte Holzkohle, ein Produkt der Holzverbrennung (oberes Bild). Dies ist nicht schmierend und es ist auch nicht glänzend.

Es gibt verschiedene Arten von amorphem Kohlenstoff in der Natur und diese Sorten können auch synthetisch erhalten werden. Zu den verschiedenen Formen von amorphem Kohlenstoff gehören Ruß, Aktivkohle, Ruß und Holzkohle.

Amorpher Kohlenstoff hat wichtige Verwendungszwecke in der Stromerzeugungsindustrie sowie in der Textil- und Gesundheitsindustrie.

Arten von amorphem Kohlenstoff

Es gibt verschiedene Kriterien, um sie zu klassifizieren, wie z. B. ihre Herkunft, Zusammensetzung und Struktur. Letzteres hängt von der Beziehung zwischen den Kohlenstoffen mit sp ^{2 -} und sp ³ -Hybridisierungen ab ; das heißt, diejenigen, die eine Ebene bzw. einen Tetraeder definieren. Daher kann die anorganische (mineralogische) Matrix dieser Feststoffe sehr komplex werden.

Nach seiner Herkunft

Es gibt amorphen Kohlenstoff natürlichen Ursprungs, da er das Produkt der Oxidation und der Zersetzungsformen organischer Verbindungen ist. Diese Art von Kohlenstoff umfasst Ruß, Kohle und Kohlenstoff aus Carbiden.

Synthetischer amorpher Kohlenstoff wird durch kathodische Lichtbogenabscheidungstechniken und Sputtern hergestellt. Synthetisch werden auch diamantartige amorphe Kohlenstoffbeschichtungen oder amorphe Kohlenstofffilme hergestellt.

Struktur

Amorpher Kohlenstoff kann auch in Abhängigkeit vom Anteil der vorhandenen sp ^{2 -} oder sp ³ -Bindungen in drei große Typen eingeteilt werden . Es gibt den amorphen Kohlenstoff, der zum sogenannten elementaren amorphen Kohlenstoff (aC), dem hydrierten amorphen Kohlenstoff (aC: H) und dem tetraedrischen amorphen Kohlenstoff (ta-C) gehört.

Elementarer amorpher Kohlenstoff

Oft als BC oder BC abgekürzt, enthält es Aktivkohle und Ruß. Die Sorten dieser Gruppe werden durch unvollständige Verbrennung von tierischen und pflanzlichen Substanzen erhalten; das heißt, sie brennen mit einem stöchiometrischen Sauerstoffdefizit.

Sie weisen einen höheren Anteil an sp ² -Bindungen in ihrer Struktur oder molekularen Organisation auf. Sie können sich als eine Reihe von gruppierten Ebenen mit unterschiedlichen Orientierungen im Raum vorstellen, ein Produkt von tetraedrischen Kohlenstoffen, die die Heterogenität im Ganzen herstellen.

Daraus wurden Nanokomposite mit elektronischen Anwendungen und Materialentwicklung synthetisiert.

Hydrierter amorpher Kohlenstoff

Abkürzung als BC: H oder HAC. Dazu gehören Ruß, Rauch, extrahierte Kohle wie Bitumen und Asphalt. Ruß ist leicht zu unterscheiden, wenn in einem Berg in der Nähe einer Stadt ein Feuer brennt, wo es in den Luftströmungen beobachtet wird, die es in Form zerbrechlicher schwarzer Blätter tragen.

Wie der Name schon sagt, enthält es Wasserstoff, ist jedoch kovalent an Kohlenstoffatome gebunden und nicht vom molekularen Typ (H ₂ ). Das heißt, es gibt CH-Anleihen. Wenn eine dieser Bindungen Wasserstoff freisetzt, ist dies ein Orbital mit einem ungepaarten Elektron. Wenn zwei dieser ungepaarten Elektronen sehr nahe beieinander liegen, interagieren sie und verursachen die sogenannten baumelnden Bindungen.

Mit dieser Art von hydriertem amorphem Kohlenstoff werden Filme oder Beschichtungen mit geringerer Härte erhalten als mit ta-C hergestellte.

Tetraedrischer amorpher Kohlenstoff

Abkürzung als ta-C, auch diamantartiger Kohlenstoff genannt. Es enthält einen hohen Anteil an sp ³ -hybridisierten Bindungen .

Zu dieser Klassifizierung gehören amorphe Kohlenstofffilme oder Beschichtungen mit einer amorphen tetraedrischen Struktur. Ihnen fehlt Wasserstoff, sie haben eine hohe Härte und viele ihrer physikalischen Eigenschaften ähneln denen von Diamant.

Molekular besteht es aus tetraedrischen Kohlenstoffen, die kein langreichweitiges Strukturmuster aufweisen. Während bei Diamanten die Ordnung in verschiedenen Bereichen des Kristalls konstant bleibt. Das ta-C kann eine bestimmte Ordnung oder Mustercharakteristik eines Kristalls aufweisen, jedoch nur auf kurze Distanz.

Komposition

Kohle ist als Schichten aus schwarzem Gestein organisiert, die andere Elemente wie Schwefel, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Hier entstehen amorphe Kohlenstoffe wie Kohle, Torf, Anthrazit und Braunkohle. Anthrazit ist das mit der höchsten Kohlenstoffzusammensetzung von allen.

Eigenschaften

Echter amorpher Kohlenstoff hat π-Bindungen mit Abweichungen im interatomaren Abstand und Variationen im Bindungswinkel lokalisiert. Es hat sp ^{2 -} und sp ³ -hybridisierte Bindungen, deren Beziehung je nach Art des amorphen Kohlenstoffs variiert.

Seine physikalischen und chemischen Eigenschaften hängen mit seiner molekularen Organisation und seiner Mikrostruktur zusammen.

Im Allgemeinen hat es Eigenschaften von hoher Stabilität und hoher mechanischer Härte, Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich durch hohe optische Transparenz, geringen Reibungskoeffizienten und Beständigkeit gegen verschiedene Korrosionsmittel aus.

Amorpher Kohlenstoff ist empfindlich gegenüber Bestrahlungseffekten, weist unter anderem eine hohe elektrochemische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit auf.

Anwendungen

Jede der verschiedenen Arten von amorphem Kohlenstoff hat ihre eigenen Eigenschaften oder Eigenschaften und ganz besondere Verwendungen.

Holzkohle

Kohle ist ein fossiler Brennstoff und daher eine wichtige Energiequelle, die auch zur Stromerzeugung genutzt wird. Die Umweltauswirkungen des Kohlebergbaus und seine Verwendung in Kraftwerken werden heute heiß diskutiert.

Aktivkohle

Es ist nützlich zur selektiven Absorption oder Filtration von Verunreinigungen aus Trinkwasser, zum Entfärben von Lösungen und kann sogar Schwefelgase absorbieren.

Kohlenschwarz

Ruß wird häufig zur Herstellung von Pigmenten, Druckfarben und einer Vielzahl von Farben verwendet. Dieser Kohlenstoff verbessert im Allgemeinen die Festigkeit und Beständigkeit von Gummiartikeln.

Als Füllstoff in Felgen oder Reifen erhöht es deren Verschleißfestigkeit und schützt Materialien vor Verschlechterung durch Sonnenlicht.

Amorphe Kohlenstofffilme

Die technologische Verwendung von amorphen Kohlenstofffilmen oder -beschichtungen in verschiedenen Flachbildschirmen und in der Mikroelektronik nimmt zu. Der Anteil an sp ^{2 -} und sp ³ -Bindungen bedeutet, dass amorphe Kohlenstofffilme optische und mechanische Eigenschaften mit variabler Dichte und Härte aufweisen.

Ebenso werden sie unter anderem in Antireflexbeschichtungen, in Strahlenschutzbeschichtungen eingesetzt.

Verweise

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische Chemie. (Vierte Edition). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2018). Amorphe Kohle. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
3. Kouchi A. (2014) Amorpher Kohlenstoff. In: Amils R. et al. (Hrsg.) Encyclopedia of Astrobiology. Springer, Berlin, Heidelberg.
4. Yami. (21. Mai 2012). Allotrope Formen von Kohlenstoff. Wiederhergestellt von: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Amorpher Kohlenstoff. Wiederhergestellt von: sciencedirect.com
6. Rubio-Roy, M., Corbella, C. und Bertran, E. (2011). Tribologische Eigenschaften fluorierter amorpher Kohlenstoffdünnschichten. Wiederhergestellt von: researchgate.net