Waarom wordt grafiet gemakkelijker gevormd dan diamant?

Antwoord

Beste Hannes,

Laten we beginnen met wat meer omkadering te geven:

Context
Ondanks het feit dat diamant en grafiet uit dezelfde bouwstenen bestaan, namelijk koolstofatomen, verschillen beide stoffen enorm in hun eigenschappen. Zo is grafiet zwart en makkelijk te krassen, terwijl diamant doorzichtig en gigantisch hard is. Je moet maar eens proberen een diamant te krassen met iets dat zelf geen diamant is! De reden hiervoor zit hem in de manier waarop deze bouwstenen onderling geordend zijn. Ik voegde enkele figuren bij mijn antwoord ter illustratie - neem ze er even bij.

Diamant heeft een 3D-structuur waarbij iedere koolstofatoom verbonden is met vier andere koolstofatomen. In de figuur zie je enkele koolstofatomen die maar twee (of één) bindingen lijken te hebben, maar dat is niet het geval: ik toon je maar een klein deel van het geheel. De volledige structuur van diamant is gigantisch; ze herhaalt zich continu in de alledrie de dimensies.
Grafiet ziet er helemaal anders uit. Het heeft een laagstructuur die een beetje moeilijk te tekenen is. Op de figuur zie je bovenaan zo'n laag van bovenaf bekeken. Ook ditmaal toon ik je slecht een klein deel van het geheel. Zo één laag noemen we grafeen, plaats meerder boven elkaar en we noemen het grafiet. Onderin de figuur zie je hoe die lagen zich ten opzichte van elkaar positioneren als je vanaf de zijkant kijkt.

Eerste vraag: 3 of 4 bindingen?
En nu komen we tot de essentie van jouw eerste subvraag: je zou kunnen zeggen dat een koolstofatoom vier bindingen moet hebben omdat het vier ongepaarde elektronen heeft. In het diagram van grafiet zie je echter slechts drie bindingen - hoe kan dit nu?

Het antwoord is dat dit diagram een vereenvoudiging is van de werkelijkheid: ze toont de ordening van de atomen, maar brengt niet alle bindingen goed in beeld. In grafiet gebruikt ieder koolstofatoom drie van zijn elektronen om covalente bindingen te vormen met zijn drie dichtste buren. Hierdoor blijft er nog een vierde vrij elektron per koolstofatoom over. Dat elektron blijft daar echter niet zomaar zweven, maar doet iets speciaals dat we delocalisatie noemen: de vrije elektronen kunnen niet langer worden geassocieerd met een bepaald atoom of atomenpaar en bewegen zich vrij doorheen de hele laag. Delocalisatie treedt ook op in een molecule als benzeen of in metaalbindingen.
Dit wilt zeggen dat naast die sterke covalente bindingen, de koolstofatomen in zo'n grafietlaag dus worden samengehouden door deze 'wolk' van vrije elektronen. Je kan de wolk zien als een extra binding - een binding die ervoor zorgt dat de koolstofatomen in zo'n laag grafiet zelfs sterker gebonden zijn dan de koolstofatomen in diamant! 

De zachtheid van grafiet wordt veroorzaakt doordat de lagen onderling samengehouden worden door Vanderwaals-krachten. Die krachten zijn vele malen zwakker dan de covalente bindingen zoals hierboven besproken. Daardoor komt het dat wanneer je met een potlood schrijft, je eigenlijk laagje per laagje grafiet afwrijft op jouw papier.

Tweede vraag: energie!
We bespraken hierboven de zeer verschillende structuur van grafiet en diamant, en hoe sterk de bindingen zijn tussen de verschillende koolstofatomen. Hoewel het heel interessant klinkt om grafiet om te zetten naar diamant, is lang niet zo makkelijk! Om van de grafietstructuur over te gaan naar de diamantstructuur moet je de hele sterke bindingen tussen de atomen breken en zorgen dat de atomen zich op een andere manier gaan oriënteren. Daar is dus heel veel energie voor nodig. Het omzetten van grafiet naar diamant is mogelijk bij hele hoge drukken, wanneer het koolstof opgelost is in vloeibaar gesteente of metaal, en wanneer de condities zich ertoe lenen om diamant te vormen. Die condities kan je terugvinden in een zogenaamde fasediagram, zoals je er hier een simpele versie van kunt terugvinden. Neem het er even bij.

Startend van het bolletje linksonderin, kan je in het diagram zien dat we door de druk te verhogen (naar omhoog in de grafiek), we grafiet kunnen omzetten in diamant. Door de temperatuur te verhogen (naar rechts in de grafiek), komen we al snel bij gasvormig of vloeibaar koolstof uit. De grafiek toont het niet erg duidelijk, maar je kunt ervan uitgaan dat we bij kamertemperatuur meer dan 150.000 keer de atmosfeerdruk nodig hebben om in onze opzet te slagen. 

Er valt hier nog veel meer over te vertellen, maar ik geloof dat je hiermee reeds even zoet bent. Hopelijk kon ik een beetje duidelijkheid brengen.

Met vriendelijke groet,
Giele Van den Berghe