Grafit

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Graphit (auch Grafit) ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der "Elemente".
Er ist eine der natürlichen Erscheinungsformen des chemischen Elements Kohlenstoff in Reinform und kristallisiert äußerlich gesehen im hexagonalen Kristallsystem (genaueres siehe Kristallstruktur).
Graphit bildet undurchsichtige, graue bis schwarze Kristalle in sechseckiger, tafeliger, schuppiger oder stängeliger 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 g/cm^3, und er hat eine grauschwarze Strichfarbe.
== Etymologie und Geschichte
Der Name Graphit leitet sich aus dem altgriechischen av (graphein) ab, was schreiben bedeutet.
Er spielt damit auf die Tatsache an, dass Graphit auf Papier oder anderen rauen Oberflächen durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift (veraltet auch Reißblei oder Wasserblei) ihre Anwendung findet.
Abraham Gottlob Werner prägte 1789 den Namen, der sich dann international in der mineralogischen Fachwelt durchsetzte und auch von der International Mineralogical Association (IMA) übernommen wurde.
Nach neuer deutscher Rechtschreibung ist die Schreibweise Grafit laut Duden die empfohlene Schreibweise.
Gemäß der Empfehlung vom Rat für deutsche Rechtschreibung sind die Schreibweisen Graphit und Grafit allerdings gleichwertig.
Fachlich korrekt ist jedoch nach wie vor die Schreibweise Graphit.
Die Verwendung von Graphit kann in der prähistorischen Zeit auf eine lange Tradition in Europa zurückblicken.
Die ersten Hinweise einer Verwendung kennt man aus dem Mesolithikum Norditaliens.
Rohgraphitstücke wurden als Färbemittel benutzt und den Toten in die Gräber mitgegeben.
Für das Neolithikum finden sich in Böhmen zahlreiche Belege von Graphitton- und graphitierter Keramik.
In Bayern fällt in der Frühbronzezeit vor allem die Straubinger Kultur durch starken Graphitgebrauch auf.
In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (Latenezeit) wurde Graphit gerne verwendet, um Gefäße, vor allem Kochtöpfe, feuerfester zu machen.
Es fand während dieser Zeit ein großflächiger Handel statt, der die gesamte Verbreitung der Latene-Kultur umfasste.
Hier waren besonders die Vorkommen bei Passau und Cesky Krumlov (ehemals Krummau) bedeutsam.
Nach dem Zusammenbruch der keltischen Kultur in Mitteleuropa im Zuge der römischen Eroberung und der germanischen Expansion dauert es etwa 800 Jahre bis ins frühe Mittelalter, bis im slawischen Ostmitteleuropa im größeren Stil wieder Graphit verwendet wurde.
In Asien (vor allem dem schon frühzeitig schriftkundigen China) hat Graphit als Schreibmaterial erstaunlicherweise keine Rolle gespielt.
Im 16. Jahrhundert entdeckten die Engländer ein großes Vorkommen an reinem Graphit, welches sie jedoch für eine Form des Bleiminerals Bleiglanz hielten und Plumbago nannten.
Erst Carl Wilhelm Scheele gelang 1779 der Nachweis, dass es sich bei Graphit um reinen Kohlenstoff handelt.
Trotz Scheeles Nachweis hält sich der Begriff Bleistift bis heute.
Da sich Graphit nicht nur als gutes Schreibmaterial, sondern auch als perfektes Material für Gussformen von Kanonenkugeln herausstellte, hatte er auch eine gewisse militärische Bedeutung.
So wurde deshalb z. B. während der napoleonischen Kriege Anfang des 19. Jahrhunderts die Ausfuhr von Bleistiften von Großbritannien nach Frankreich verboten.
== Klassifikation
Bereits in der veralteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Graphit zur Mineralklasse der "Elemente" und dort zur Abteilung der "Halbmetalle und Nichtmetalle", wo er als einziges Mitglied die Gruppe I/B.02a bildete.
Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis nach Stefan Weiß, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser klassischen Systematik von Karl Hugo Strunz richtet , erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr.
I/B.02-10.
In der "Lapis-Systematik" entspricht dies ebenfalls der Abteilung "Halbmetalle und Nichtmetalle", wo Graphit zusammen mit Chaoit, Diamant, Fullerit (Mineralstatus bisher zweifelhaft), Lonsdaleit und Moissanit eine eigenständige, aber unbenannte Gruppe bildet.
Auch die seit 2001 gültige und von der IMA bis 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz' schen Mineralsystematik ordnet den Graphit in die Abteilung der "Halbmetalle (Metalloide) und Nichtmetalle" ein.
Diese ist allerdings weiter unterteilt nach den Hauptelementen der eingruppierten Minerale, so dass Graphit entsprechend in der Unterabteilung "Kohlenstoff-Silicium-Familie" zu finden ist, wo es als einziges Mitglied die unbenannte Gruppe 1.CB.05a bildet.
Die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Graphit ebenfalls in die Klasse und dort in die gleichnamige Abteilung der "Elemente" ein.
Hier ist er zusammen mit Diamant, Lonsdaleit, Chaoit und Fullerit in der Gruppe der "Kohlenstoffpolymorphe" mit der System-Nr.
01.03.06 innerhalb der Unterabteilung "Elemente: Halbmetalle und Nichtmetalle" zu finden.
== Kristallstruktur
Graphit kommt in zwei polytypen Kristallstrukturen vor, die als Graphit-2H und als Graphit-3R bezeichnet werden.
Graphit-2H ist dabei in hexagonaler Symmetrie in der Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr.
194)Vorlage:Raumgruppe/194 orientiert mit den Gitterparametern a = 2,46  und c = 6,71  sowie 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Bei Graphit-3R ist die Schichtung dagegen trigonal orientiert mit den Gitterparametern a = 2,46  und c = 10,06  sowie 6 Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Die kristallinen, ebenen Schichten verlaufen parallel und liegen als sogenannte "Basalebenen" oder "Graphen-Schichten".
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 den Ebenen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt.
Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:
Die Leitfähigkeit innerhalb einer Ebene wird durch die Delokalisation der -Elektronen ermöglicht.
Die bekannten Schmiermitteleigenschaften von Graphit sind jedoch nicht nur strukturbedingt, denn sie treten nur in Gegenwart von Feuchtigkeitsspuren auf.
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 Moire-Streifen; die Basalebenenabstände von 3,35  (0,335 nm) werden hier nicht aufgelöst.
Im sogenannten 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.
Fullerene 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.
== Eigenschaften
Bei einer Temperatur von über 2500 °C wird Graphit plastisch verformbar und sublimiert in einer sauerstofffreien Umgebung bei einer Temperatur von 3750 °C.
Unter Sauerstoffeinwirkung entzündet sich Graphit bei etwa 600 °C.
Graphit ist beständig gegen nichtoxidierende Säuren und ist diamagnetisch.
Auffällig ist das stark anisotrope Verhalten von Graphit, insbesondere hinsichtlich Härte und elektrischer Leitfähigkeit.
=== Magnetische Suszeptibilität
Graphit hat eine negative magnetische Suszeptibilität und ist daher diamagnetisch.
Der Betrag der Suszeptibilität und damit das Ausmaß an Diamagnetismus von Graphit hängt von der Qualität des Graphits und seiner Orientierung im Magnetfeld ab.
Bei Ausrichtung senkrecht zu den Atomlagen liegt sie bei  V {\displaystyle \chi _ {V}} = -450 * 10-6 für pyrolytischen Graphit (vgl. pyrolitic graphit (en)) bis zu  V {\displaystyle \chi _{V}} = -595 * 10-6 für hoch-orientierte Formen.
Bei Ausrichtung parallel zu den Atomlagen liegt die Suszeptibilität bei  V {\displaystyle \chi _{V}} = -85 * 10-6 für pyrolytischen Graphit.
Bei polykristallinem Graphit (z. B. Ruß, Glaskohlenstoff) ist die Suszeptibilität isotrop und die Werte mitteln sich über die verschieden ausgerichteten Einkristalle.
Für Ruß ergibt sich z. B. eine Suszeptibilität von  V {\displaystyle \chi _{V}} = -204 * 10-6 .
Graphit ist damit bei senkrechter Ausrichtung das am stärksten diamagnetische Element.
Es ist aber immer noch rund 2000 Mal schwächer als ideale Diamagneten - wie z. B. Supraleiter - mit einer magnetischen Suszeptibilität von  V {\displaystyle \chi _{V}} = -1.
Je nach Form ist Graphit auch in polykristalliner Form noch stärker diamagnetisch als das nächststärkste diamagnetische Element Bismut.
== Modifikationen und Varietäten
Graphit ist neben Diamant und Fulleren die dritte unter irdischen Normalbedingungen stabile Form (Modifikation) des Kohlenstoffs.
Eine weitere Modifikation, der Lonsdaleit, entsteht nur durch außergewöhnliche Schockereignisse wie beispielsweise bei einem Meteoriteneinschlag.
== Bildung und Fundorte
Graphit kommt in der Natur in Form vereinzelter Flocken und Körner in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein und als Adern und Aggregate in Pegmatit vor.
Es existieren zahlreiche Graphitfundorte weltweit.
Von wirtschaftlicher Bedeutung sind aber vor allem die Volksrepublik China, Korea, Madagaskar, Simbabwe, Brasilien und Indien sowohl im Tagebau als auch unter Tage.
Im Jahr 2016 wurden ca. 1.200.000 Tonnen gefördert.
In Europa gibt es zurzeit nur noch wenige aktive Graphitbergwerke.
In der Ukraine, in Norwegen und in Tschechien wird makrokristalliner Graphit in unterschiedlicher Qualität unter Tage abgebaut.
Bei dem makrokristallinen Graphit sind die einzelnen Graphitkristallitpakete (Flocken) gut erhalten und sichtbar.
In Österreich wurden dagegen mikrokristalline Graphite gewonnen, deren Kristalle nicht so deutlich ausgeprägt sind.
Österreich nahm in den 1960er-Jahren den nach Südkorea zweiten Platz unter den graphitfördernden Ländern ein (Höchststand 1964 mit etwa 100.000 Tonnen Förderung).
Der größte Bergbau befand sich in Kaisersberg bei Sankt Stefan ob Leoben in der Steiermark.
Er wurde 1997 stillgelegt; seit Frühjahr 2008 wird im dortigen "Marie-Stollen" wieder 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 85 % gewonnen wurde.
Weitere kleine Graphitbergbaue bestanden bis in die 1970er-Jahre am Semmering, im Liesingtal (Steiermark), im Dunkelsteiner Wald (Niederösterreich) sowie im Waldviertel, wo das seit 1831 in Abbau stehende Vorkommen in Mühldorf am bedeutendsten war.
In Deutschland war und ist der Graphit-Bergbau von Kropfmühl/Landkreis Passau bedeutsam.
Am 21. Juni 2012 wurde das Graphitbergwerk am Standort Kropfmühl offiziell wieder eröffnet.
Der Abbau ist, laut einer Pressemitteilung des Unternehmens, aufgrund der steigenden Nachfrage nach Graphit und der Preisentwicklung am Weltmarkt wieder rentabel geworden.
=== Synthetische Herstellung
Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierbare Kohlenstoffe.
Ausgangssubstanzen sind zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Peche, aber auch Kunststoffe.
Bei der Graphitierung erfolgt durch Erhitzen unter Luftabschluss auf etwa 3000 °C eine Umwandlung vom amorphen Kohlenstoff zum polykristallinen Graphit.
Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt.
Bedeutende Hersteller sind unter anderem Showa Denko Carbon, SGL Carbon, Schunk Kohlenstofftechnik (Deutschland), Imerys (Schweiz), Tokai Carbon (Japan), Morgan Advanced Materials (Großbritannien) und Toyo Tanso (Japan).
Highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) ist eine sehr reine Form von Graphit.
== Verwendung
=== Graphitelektroden
2011 wurden 42 % aller synthetischen Graphite zu Elektroden verarbeitet.
So werden für die Herstellung einer Tonne Elektrostahl im Durchschnitt 2-2,5 kg Graphit verbraucht.
=== Nukleargraphit
Graphit wurde und wird in hochgereinigter Form in manchen Kernreaktor-Typen als Moderator eingesetzt.
In den deutschen, inzwischen stillgelegten "Kugelhaufenreaktoren" Versuchsreaktor Jülich und THTR-300 diente Graphit zugleich als Moderator und Brennelementmatrix.
Die guten Moderationseigenschaften und die hohe Temperaturstabilität waren für den Einsatz in der Nukleartechnik ausschlaggebend.
Die Graphitbrände des britischen Windscale-Reaktors 1957 in Sellafield sowie des RBMK-Reaktors in Tschernobyl 1986 führten jedoch zu Bedenken wegen der Sicherheit von Graphit in Reaktoren.
Als Probleme kommen die Reaktionsfähigkeit mit Wasserdampf (> 900 °C) unter Bildung brennbarer Gase und die Neigung zu energetischen Instabilitäten (siehe Wigner-Energie) hinzu.
2006 gab es weltweit 250.000 t bestrahlten Nukleargraphit (Deutschland ca. 1000 t), für den es wegen seines hohen Gehalts an C-14 (radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 5700 Jahren) noch keine ökonomisch akzeptable Endlagerstrategie gibt.
=== Weitere Verwendungsmöglichkeiten
Graphit wird vielfältig genutzt als

Klexikon (einfache Sprache):
Grafit sind ganz kleine graue Plättchen aus Kohlenstoff.
Man schrieb es früher "Graphit".
Grafit kennen wir aus dem Bleistift.
Der Bleistift enthält gar kein Blei, weil Blei giftig ist.
Äußerlich hat Blei einige Gemeinsamkeiten mit Grafit.
Nur ist Grafit nicht giftig.
Grafitplättchen bestehen aus sechseckigen Teilen.
Darin sind die die Kohlenstoff-Atome wie Bienenwaben verbunden und bilden diese Sechsecke.
Unter dem Rasterelektronenmikroskop sieht Grafit ungefähr so aus wie ganz kleine Erdnussflips.
So luftig und leicht wie Erdnussflips in der Tüte übereinander gleiten, so verhält sich auch Grafit.
Nur rutscht das noch bei größerem Druck, bei dem die Erdnussflips längst zerdrückt werden.
Das kann man sich so vorstellen wie wenn man Plastikfolie in Stücke schneidet und auf den Boden legt.
Auf vielen dieser Folien kann man sehr leicht ausrutschen.
Darum ist Grafit ein Festschmierstoff.
Das bedeutet: Grafit schmiert wie Öl, ist aber nicht flüssig, sondern fest.
Wenn man wissen möchte, wie Grafit schmiert, kann man mit einem Bleistift zwei Flächen Papier deckend bemalen, so dass nichts mehr von dem Papier zu sehen ist.
Nun schneidet man eine der Flächen aus und reibt sie auf der anderen.
Das mit Bleistift gemalte Papier gleitet viel leichter aufeinander als das unbemalte Papier.
== Wofür wird Grafit benutzt?
Neben dem Bleistift wird Grafit in der Industrie eingesetzt.
In den Radlagern und Drehgelenken am Auto ist Grafit der Schmiere dazu gemischt.
Wenn das Gelenk heiß wird, geht die Schmiere kaputt, aber der Grafit schmiert noch, damit es mit dem Auto nicht zum Unfall kommt, weil ein Rad stehen geblieben ist.
Auch Türschlösser werden mit Grafit geschmiert, damit der Schlüssel nicht ölig wird.
Denn Öl würde die Fusseln aus der Tasche an den Schlüssel kleben und mit in das Türschloss nehmen.
Grafit kann man auch als Pulver kaufen.
Dann enthält es nicht das, was die Bleistiftmine zusammenhält.