Углерод. Аллотропные модификации
Доклад на тему:
«Углерод. Аллотропные модификации»
Положение в таблице
Менделеева
Углерод Carbogenium - 6ой
элемент в таблице Менделеева. Он располагается в главной подгруппе четвертой
группы, втором периоде. Углерод-типичный неметалл.
Нахождение в природе
В настоящее время
известно более миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучение
составляет целую науку – органическую химию. В тоже время за изучение свойств
чистого углерода ученые взялись сравнительно недавно - около 20 лет назад.
Углерод занимает 17-е
место по распространенности в земной коре – 0,048%. Но, несмотря на это, он
играет огромную роль в живой и неживой природе.
Углерод входит в состав
органических веществ в растительных и живых организмах, в состав ДНК.
Содержится в мышечной ткани – 67%, костной ткани – 36% и крови человека (в
человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного
углерода).
Свободный углерод
В свободном виде углерод
встречается в нескольких аллотропных модификациях – алмаз, графит, карбин,
крайне редко фуллерены. В лабораториях также были синтезированы многие другие
модификации: новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.
Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильно
преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но
при этом довольно хрупок. Он настолько тверд, что оставляет царапины на
большинстве материалов.
Плотность алмаза – 3,5
г/см3, tплав=3730С, tкип=4830оС. Алмаз можно получить из графита при p > 50
тыс. атм. и tо = 1200оC В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с
другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас
атомов чрезвычайно велико.
Непрерывная трехмерная
сетка ковалентных связей, которая характеризуется большой прочностью,
определяет многие свойства алмаза, так то плохая тепло- и электропроводимость,
а также химическая инертность. Алмазы очень редки и ценны, их вес измеряется в
каратах (1 карат=200мг). Ограненный алмаз называют бриллиантом.
Графит
Графит – устойчивая при
нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо-черный цвет и
металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные
следы на бумаге.
Атомы углерода в графите
расположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждый
атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него
в виде правильного треугольника.
Графит характеризуется
меньшей плотностью и твердостью, а также графит может расщепляться на тонкие
чешуйки. Чешуйки легко прилипают к бумаге – вот почему из графита делают
грифели карандашей. В пределах шестиугольников возникает склонность к
металлизации, что объясняет хорошую тепло- и электропроводность графита, а
также его металлический блеск.
Фуллерены
Фуллерены – класс
химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, число
атомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклые
многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников.
Происхождение термина
"фуллерен" связано с именем американского архитектора Ричарда
Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные
конструкции, состоящие из шестиугольников и пятиугольников.
Первый способ получения и
выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В. Кречмером
и Д. Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге
(Германия).
В противоположность
первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собой
периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является
молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не
атом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, которая
имеет форму сферы.
В фуллерене плоская сетка
шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом
часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура –
усеченный икосаэдр. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей.
Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками,
а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками.
Фуллерены с n<60
оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим
возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20.
Молекулы фуллеренов, в
которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными
связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой
электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные
окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены
способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих
различными физико-химическими свойствами.
Заключение
Хотя фуллерены имеют
короткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себе
все новых исследователей. Она включает три направления: физика фуллеренов,
химия фуллеренов и технология фуллеренов.
Физика фуллеренов
занимается исследованием структурных, механических, магнитных, оптических
свойств фуллеренов и их соединений. Сюда относится также изучение характера
взаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, свойства и структура
систем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболее
продвинутой ветвью в области фуллеренов.
Химия фуллеренов связана
с созданием и изучением новых химических соединений, основу которых
составляютфуллерены, а также изучает химические процессы, в которых они
участвуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования это
направление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.
Технология фуллеренов
включает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные их
приложения.