9. – 11. Schuljahr

Diamant und Graphit

Petra Wlotzka
Klassen- bzw. Kursstufe: Sek. I/II
Themenbereich: Elektronenpaarbindung, Kohlenstoffmodifikationen
Kompetenzbereiche: Stoff-Teilchen-Konzept, Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation
Mit der hier vorgestellten Lernaufgabe erarbeiten sich die Lerner arbeitsteilig in Form eines Partnerpuzzles die Struktur der beiden Kohlenstoffmodifikationen Diamant und Graphit (vgl. auch [1]) und erklären anhand der Struktur die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Stoffe. Voraussetzung für die erfolgreiche selbstständige Bearbeitung der Aufgaben sind umfangreiche Kenntnisse über die Elektronenpaarbindung einschließlich des Elektronenpaarabstoßungsmodells (alternativ: Kugelwolkenmodell) und der elektrischen Leitfähigkeit von Feststoffen. Eine Erklärung der elektrischen Leitfähigkeit des Graphits ist nur in Ansätzen möglich, da diese Stoffeigenschaft mit den in der Sek.I gelehrten Teilchenmodellen (Schalenmodell, Kugelwolkenmodell, Elektronenpaarabstoßungsmodell) nicht erklärbar ist. Von daher kann die Aufgabe auch in der Sek.II dazu genutzt werden, die Grenzen der bisher gelernten Teilchenmodelle aufzuzeigen und die Notwendigkeit der Einführung eines neuen Modells (quantenmechanisches Atommodell) zu verdeutlichen. In der Sek.I sollte am Ende der Arbeitsphase darauf hingewiesen werden, dass die besondere Struktur des Graphits und die damit einhergehenden Eigenschaften nicht mit den bisher gelernten Teilchenmodellen erklärt werden können.
Zur Durchführung des Partnerpuzzles werden Zweierteams gebildet. Eine(r) aus dem Team erarbeitet die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen des Graphits, die/der ander(e) die des Diamants (MaterialAundB ). Dann werden themengemischte Gruppen gebildet, die sich gegenseitig ihr Thema vorstellen und die Aufgaben des gemeinsamen MaterialsC bearbeiten.
Lösungserwartungen der Austauschrunde
zu 1: s. Tabelle1.
zu 2: Kohlenstoffatome im Diamant: vier Elektronenpaarbindungen.
Kohlenstoffatome im Graphit:
drei Elektronenpaarbindungen.
Schlussfolgerung: Die Kohlenstoffatome im Graphit haben keine gefüllte Außenschale.
zu 3: Graphit ist extrem weich, Diamant dagegen ist extrem hart.
Erklärung: Im Diamant sind alle Kohlenstoffatome durch vier Elektronenpaarbindungen mit weiteren Kohlenstoffatomen zu einem dreidimensionalen stabilen Gitter verbunden. Beim Graphit dagegen wirken zwischen den einzelnen Schichten des Graphitgitters nur schwache Anziehungskräfte, so dass die Schichten sich leicht gegeneinander verschieben lassen.
zu 4: Hypothese: Damit ein Feststoff elektrischen Strom leitet, benötigt er frei bewegliche Elektronen, d.h. Graphit hat im Gegensatz zu Diamant frei bewegliche Elektronen. Im Graphit geht im Gegensatz zum Diamant jedes Kohlenstoffatom nur drei Elektronenpaarbindungen ein. Da Kohlenstoffatome jedoch vier Außenelektronen besitzen, bleibt ein Elektron ohne Partner. Wahrscheinlich ist dieses Elektronen im Graphit frei beweglich.
zu 5: Diamant und Graphit werden verbrannt. Das entstehende Kohlenstoffdioxid kann durch die Kalkwasserprobe nachgewiesen werden.
zu 6: Graphit wird als Schmiermittel und für Bleistiftminen verwendet, weil es aufgrund der Schichtstruktur sehr weich ist und sich gut abreiben lässt. Diamant ist aufgrund seines dreidimensionalen Gitters sehr hat (härtester Stoff auf der Mohsschen Härteskala) und besonders abriebfest. Deshalb ist er für Bohr-, Schleif- und Schneidewerkzeuge geeignet.
Literatur
[1]Venke, S.; Stachel, T.; Griewatsch, K.: Vielseitiger Kohlenstoff Diamanten erzählen eine heiße Geschichte

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