WM-Frage: Wie nennt man die Kohlenstoffmoleküle, die dieselbe geometrische Struktur wie ein Fußball haben?

a) Buckyballs
b) Carbonoide
c) Fullerene
d) Soccercarbone

Antwort:

Richtig sind sowohl Buckyballs als auch Fullerene.

Erklärung:

In grober Näherung kann man sich die Fulleren-Bälle als Graphitkugeln vorstellen. Das bienenwabenartige Kristallgitter einer Graphit-Schicht besteht aus lauter aneinandergereihten Sechsecken.

Graphit Der Graphit besteht aus ebenen Schichten, die Kohlenstoff-Atome in den Ebenen bilden Sechserringe. Die Abstände zwischen nächsten Nachbarn betragen 0,142 Nanometer und weisen auf einen stark kovalenten Charakter der Bindung hin. Der Zusammenhalt zwischen den Schichten beruht auf nur schwachen Restbindungen, was die sehr geringe Härte des Graphits erklärt. Bei der Aufeinanderfolge der Schichten sind verschiedene Stapelfolgen möglich.

Wenn sie nur Sechsecke enthält, ist eine Schicht eben wie beim Graphit, doch wenn man einige Sechsecke durch Fünfecke ersetzt, beginnt sie sich zu wölben. Mit zwölf Fünfecken und zwanzig Sechsecken aus insgesamt 60 Kohlenstoffatomen erhält man die kleinste, geschlossene Struktur, deren Geometrie genau einem Fußball entspricht – nämlich einem gestutzten Ikosaeder. Ein solcher Körper entsteht mathematisch gesehen, wenn man zwölf der pyramidenförmigen Ecken eines Ikosaeders entfernt.

hcp-Gitter
Die C60-Fullerene sind mathematisch gesehen gestutzte Ikosaeder. Damit entspricht ihre Geometrie genau einem Fußball.

Der Name Fulleren soll an den Architekten Richard Buckminster Fuller erinnern, der ganz ähnliche Polyederkonstruktionen für seine Kuppelbauten verwandte. Für die Synthese der ersten Fullerene erhielten Robert Curl, Sir Harold Kroto und Richard Smalley 1996 den Nobelpreis für Chemie.

Neben den C60-Molekülen gibt es auch weitere Fullerene aus mehr Kohlenstoffatomen. Da die Fulleren-Bälle Hohlkugeln sind, liegt es nahe, Atome oder Moleküle in den Hohlraum einzuschleusen. Man spricht dabei von endohedralem Dotieren und von endohedralen Fullerenen. In C60 lässt sich vor allem Stickstoff oder Lithium unterbringen, aber bei den höheren Fullerenen gibt es eine ganze Reihe von endohedralen Verbindungen wie beispielsweise Sc@C82, La@C82, Y@C82 und so weiter. Die Schreibweise mit dem Klammeraffen "@" hat sich im Zusammenhang mit endohedralen Verbindungen eingebürgert.