【Jeden Tag eine Frage】Theoretische Grundlagen 17.07.2020
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Frage mit Mehrfachauswahl: Der Grund, warum Graphit leitfähig ist, liegt darin, dass in den Graphitkristallen ( ) A. freie Elektronen vorhanden sind B. hybridisierte Orbitalen vorhanden sind C. es sich um Metallkristalle handelt D. in den Schichten delokalisierte π-Bindungen vorhanden sind. Antwort: D. Hinweis: Wer den Lösungsweg erläutern kann, erhält eine zusätzliche Belohnung. Die Antwort findet sich unter den Antworten
D. Im Schichtinneren existieren delokalisierte große π-Bindungen
Im Inneren der Schichten existieren delokalisierte π-Bindungen. Ausschlussprinzip: Graphit gehört zu den Molekülkristallen – es gibt dort keine freien Elektronen. Hybride Orbitalen sind lediglich eine Theorie; sie bedeuten nicht, dass in den Molekülen tatsächlich hybride Orbitalen vorhanden sind.
Ursache D: Graphitkristalle weisen eine schichtförmige Struktur auf; in den Gitteratomen des Graphits sind drei verschiedene Bindungstypen vorhanden (kovalente Bindungen, Van-der-Waals-Kräfte, metallische Bindungen). Die Kohlenstoffatome in derselben Schicht nutzen sp2-Hybridorbitale, um über σ-Bindungen mit anderen Kohlenstoffatomen verbunden zu werden und so eine hexagonale, zelluläre Schichtstruktur zu bilden. Die Bindungskräfte zwischen den Kohlenstoffatomen sind sehr stark und daher schwer zu durchbrechen. Deshalb hat Graphit einen hohen Schmelzpunkt sowie eine sehr stabile chemische Struktur. Außerdem besitzt jedes Kohlenstoffatom p-Orbitale, die senkrecht zu der Ebene jeder Schicht verlaufen. Die p-Orbitale sind zueinander parallel. Diese p-Elektronen können delokalierte π-Bindungen bilden; diese Bindungen sind durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Dadurch kann es zwischen den Schichten zu einem einfachen Verschieben kommen – das ist der Grund für die Glätte des Graphitkristalls. Da die delokalisierten Elektronen in den π-Bindungen entlang der Schichtfläche bewegt werden können, weist Graphit einen metallischen Glanz auf und kann Wärme sowie Strom leiten. Jede Schicht von Graphit weist eine große π-Bindung auf. Diese große π-Bindung ermöglicht es den Elektronen in dieser Schicht, miteinander zu teilen und sich frei zu bewegen – dadurch kann Graphit elektrischen Strom leiten. In vertikaler Richtung ist die Leitfähigkeit hingegen gering.
D. Im Schichtinneren existieren delokalisierte große π-Bindungen