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Warum erscheint geladener Graphit golden?

Um dieses Verhalten zu verstehen muss man zuerst die Prozesse im Inneren des Graphits betrachten.

Was passiert mit Graphit wenn zwischen den Ebenen Fremdatome eingebracht werden?

Bild 1: Kalium-Einlagerung (Interkalation) zwischen Graphit-Ebenen. Dabei wird im Idealfall jeweils ein Elektron (das Valenzelektron) vom Kalium an die Kohlenstoff-Atome abgegeben (n-Typ dotieren).

Beim Einlagern der Fremdatome (also beim „Laden“ des Akkus) werden zuerst einzelne Zwischenräume besetzt bis zu einem maximalen Verhältnis von einem Fremdatom pro sechs Kohlenstoffatomen (Bild 1).

Für Akkus werden hierbei vor allem leichte Alkalimetalle verwendet (diese findet man in der ersten Spalte des Periodensystems), wie zum Beispiel Kalium, Natrium und vor allem Lithium. Diese Alkalimetalle besitzen nur ein Valenzelektron. Dadurch werden sie besonders reaktiv und ihre Elektronegativität ist besonders hoch. Dadurch ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass diese Atome ihre Valenzelektronen an die Kohlenstoffatome abgeben höher als bei anderen Elementen. Deshalb sprechen wir von geladenen Graphitebenen und zum Beispiel von Lithium-Ionen in Akkus. Beim Entladen der Batterie bewegen sich diese zum Pluspol des Akkus und rekombinieren dort mit den Elektronen.

Man kann somit feststellen, dass das Einlagern (auch Interkalation genannt) von Alkalimetallen zwischen Graphitebenen zu einem Transfer der Elektronen von den Alkalimetall-Atomen zu den Kohlenstoffatomen führt. Dieser Prozess wird allgemein auch n-Typ dotieren genannt (siehe auch Bild 1 am Beispiel von Kalium).

Wodurch wird die Farbe in den geladenen Graphiteben bestimmt?

Bild 2: Theoretische Reflektivität (Prozentsatz des reflektierten Lichtes gemessen an der Intensität des einfallenden Lichtes) von dotiertem und undotiertem Graphit und andere Metallen bei Raumtemperatur. Der nahezu vertikale Abfall der Reflektivität bei einer bestimmten Energie (diese ist direkt proportional zur der Plasmon-Frequenz) bedeutet, dass Licht mit geringerer Energie daran reflektiert wird, während höhere Frequenzen (kleinere Wellenlängen) transmittiert werden.

Um diese Frage zu beantworten muss man zuerst klären warum zum Beispiel Metalle silbrig glänzen, während Graphit uns schwarz erscheint. Die Farbe entsteht durch Reflektion von bestimmten Lichtfrequenzen. Sichtbares Licht besteht aus unterschiedlichen Wellenlängen mit unterschiedlichen Energien, wobei kurze Wellenlängen (violett, blau) höhere Energie und Schwingungsfrequenz aufweisen, als längere Wellenlängen (gelb, rot).

Beim Einfall von Licht auf einen Festkörper kann dieser unterschiedlich auf diesen Lichteinfall reagieren und das Licht kann absorbiert oder reflektiert werden. Außerdem, besteht die Möglichkeit, dass Licht auch nahezu ohne Wechselwirkung durch den Körper hindurchgehen (transmittiert) kann.

 Bei Absorption des Lichts wird die Energie meist in Wärme umgewandelt. Da dies für Licht im sichtbaren Bereich nicht der Fall ist, spielt dies auch für die Farbänderungen im Graphit keine Rolle. Einfallendes sichtbares Licht wird also reflektiert oder transmittiert. Grundsätzlich gilt: Licht mit Frequenzen größer als die so genannte Plasmafrequenz wird transmittiert, Licht mit geringerer Frequenz wird totalreflektiert. Vereinfacht kann man sich folgendes vorstellen. Die Elektronen im Festkörper schwingen nach externer Anregung mit einer bestimmten Frequenz (der Plasmafrequenz) gegen die Atomrümpfe. Ist die Frequenz des einfallenden Lichts kleiner als die Plasmafrequenz kann keine ganze Schwingung zwischen den oszillierenden Elektronen hindurchdringen. Die Elektronen schirmen Licht mit diesen Frequenzen ab und es kommt zur Totalreflexion. Ist die Frequenz hingegen größer als die Plasmafrequenz, können die Elektronen nicht mehr schnell genug „reagieren“ und das Licht kann den Festkörper durchqueren (Transmission). 

Noch weitere Fragen!? Weiterführende Informationen finden sie hier (teilweise in Englisch):

Graphit: http://www.chemie.de/lexikon/Graphit.html

(Graphit)-Interkalation: http://thesis.library.caltech.edu/5574/4/Purewal_Thesis_Ch2.pdf

R. Korthauer, Handbuch der Lithium-Ionen Batterien, Springer (Berlin), 2013

Plasmonen, Plasmafrequenz: C. Kittel Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg 2006 und http://www.chemie.de/lexikon/Plasmon_(Physik).html

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