Graphit

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Graphit

Chemismus	C
Mineralklasse	Elemente - Halbmetalle, Nichtmetalle I/B.02-10 (nach Strunz) 1.3.6.2 (nach Dana)
Kristallsystem	hexagonal
Kristallklasse	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
Glanz	Metallglanz, matt
Transparenz	undurchsichtig
Bruch	uneben, biegsam
Spaltbarkeit	vollkommen
Habitus	hexagonale, tafelige, schuppige, stegelige, Kristalle; massige, körnige Aggregate
Häufige Kristallflächen	{001}
Zwillingsbildung
Kristalloptik
Brechzahl	n=1,93-2,07 (rot)
Doppelbrechung (optische Orientierung)	; einachsig negativ
Pleochroismus	stark, rot
Winkel/Dispersion der optischen Achsen	2v_z ~
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen
Schmelzpunkt	3700°C
Chemisches Verhalten	nicht löslich in Säuren
Ähnliche Minerale	Molybdänit (Molybdänglanz)
Radioaktivität	nicht radioaktiv
Magnetismus	pyrolytischer Graphit ist diamagnetisch
Besondere Kennzeichen	hohe Anisotropie (z.B. Härte, Leitfähigkeit)

Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Elemente und gehört zur Ordnung der Halbmetalle und Nichtmetalle. Er ist neben Diamant und Fulleren die dritte unter irdischen Normalbedingungen stabile Form (Modifikation) des Kohlenstoffs und kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im rhomboedrischen Kristallsystem.

Graphit entwickelt 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 Mohshärte beträgt zwischen 1 und 2, seine Dichte etwa 2,1 bis 2,3 und er hat eine grauschwarze Strichfarbe.

[Bearbeiten] Besondere Eigenschaften

Graphit sublimiert bei einer Temperatur von 3825 Grad Celsius. 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.

[Bearbeiten] 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 rauhen Oberflächen durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift zum Schreiben genutzt werden kann.

In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (La-Tène-Zeit) wurde Graphit gerne verwendet, um die Oberfläche keramischer Gefäße zu schwärzen. Hier waren besonders die Vorkommen bei Passau bedeutsam.

[Bearbeiten] 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) so wie 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.

[Bearbeiten] Künstliche Herstellung

Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierbare Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Peche, aber auch Kunststoffe. Bei der Graphitation wird durch Erhitzen unter Luftabschluss auf ca. 3000 °C noch eine Umwandlung vom amorphen Kohlenstoff zum polykristallinen Graphit erfolgen.

Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt.

[Bearbeiten] Struktur

Hexagonale Kristallstruktur des Graphit.

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 sp²-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 so genannten 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.

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.

[Bearbeiten] Verwendung

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

Graphit wird vielfältig genutzt als

Bleistiftmine
Schmierstoff
Werkstoff für selbstschmierende Lager und Dichtungen
Füller zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und zum Herabsetzen des Reibbeiwertes von Kunststoffen
Kohlebürste in elektrischen Motoren
Elektrode in Lichtbogenlampen und -öfen
negative Elektrode von Lithium-Ionen-Zellen
positive Elektrode von Zink-Kohle-Primärbatterien
Schmelztiegel
Gießform
thermisch hochbelastbare Ofenauskleidung
Moderator und Reflektor in Atomreaktoren
Monochromator im Röntgendiffraktometer
Waffe in Form von Graphitfäden zum Kurzschließen der feindlichen Stromversorgung (Streubombe)
korrosionsbeständiger Werkstoff in der chemischen Industrie
Wanne und Elektroden bei der Aluminiumherstellung (Schmelzflusselektrolyse)
Elektrode in der Elektro-Stahlgewinnung, Schrottverwertung
Halbleiter

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] 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