Wie wirkt Gummi als elektrischer Isolator?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Viele der üblichen Materialien, die wir verwenden, sind elektronische Leiter, d.h. die elektrischen Ladungsträger sind Elektronen, wenn sie leiten.

Die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien beruht auf der geführten Bewegung freier Elektronen in ihrer Matrix unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Potentials.

Das elektrische Verhalten vieler Materialien, warum einige gut leiten, andere Halbleiter und wieder andere Isolatoren sind, wird heute auf der Grundlage der „Bandtheorie“ gut erklärt.

Sie besagt, dass Stoffe, deren Moleküle nur starke kovalente (Sigma-)Bindungen oder Moleküle mit nicht überlappenden schwachen (Pi-)Bindungen aufweisen, die meisten ihrer Elektronen im so genannten „Valenzband“ niedrigerer Energie haben, so dass keine Elektronen für das nächsthöhere Energieband, das „Leitungsband“, übrig bleiben, und dass solche Stoffe als elektrische Isolatoren dienen.

Kautschuk, Kunststoffe, Gläser, trockenes Holz, Öle usw. sind in diesem Sinne Isolatoren.

Kautschuk hat den zusätzlichen Vorteil, dass er mechanisch biegsam ist und in Formen gezogen werden kann, z. B. zu Handschuhen, Taschen und anderen erforderlichen Formen von elektrischen Isolatoren.

Naturkautschuk und die üblichen synthetischen Kautschuke sind im Wesentlichen Polymere eines Rohstoffs, Isopren, das chemisch gesehen 2-Methyl-1,3-Butadien ist (mit einer Struktur von CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. Das abwechselnde Vorhandensein von Einfach- und Doppelbindungen in einem Molekül, wie bei Isopren, wird als „Konjugation“ bezeichnet.

Konjugierte Moleküle, die Pi-Bindungen an ihren Positionen 1,3,5,… oder 2,4,6,…Positionen weisen Resonanz auf, bei der sich Zwitter (Einheiten mit Plus- und Minusladungen, die an zwei Positionen koexistieren) durch Überlappung von pi-Bindungen bilden.

So ist Isopren mit überlappenden (alternierenden) pi-Bindungen ein guter Leiter, wenn es als solcher kondensiert. Bei der Herstellung von Kautschuk wird jedoch die Hälfte der pi-Bindungen der Isoprenmoleküle in intermolekulare (polymere) starke Sigma-Bindungen umgewandelt, um eine mechanisch flexible, aber elektrisch starre Kette zu bilden.

Im Kautschuk liegen die pi-Bindungen also nicht an alternativen Positionen wie 1,3,5,…oder als 2,4,6,…. sondern als 2,6,10,…. oder als 1,5,9…. Diese Art der Umwandlung von ansonsten überlappenden pi-Bindungen in sigma-Bindungen und nicht überlappende pi-Bindungen führt zu einer riesigen Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband und damit dazu, dass alle Bindungselektronen allein im Valenzband aufgefüllt werden und im Leitungsband keine freien Elektronen zur Verfügung stehen.

Wenn an den gegenüberliegenden Enden eines solchen Gummis (gewöhnliche) elektrische Potentiale angelegt werden, werden die Elektronen des Valenzbandes kaum in das Leitungsband angehoben, so dass kein elektrischer Ladungsfluss durch die Gummimatrix möglich ist. So wirkt Gummi als elektrischer Isolator.

Abteilung für Chemie

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh