Доклад на тему:
«Углерод. Аллотропные модификации»
Положение в таблицеМенделеева
Углерод Carbogenium — 6ойэлемент в таблице Менделеева. Он располагается в главной подгруппе четвертойгруппы, втором периоде. Углерод-типичный неметалл.
Нахождение в природе
В настоящее времяизвестно более миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучениесоставляет целую науку – органическую химию. В тоже время за изучение свойствчистого углерода ученые взялись сравнительно недавно — около 20 лет назад.
Углерод занимает 17-еместо по распространенности в земной коре – 0,048%. Но, несмотря на это, ониграет огромную роль в живой и неживой природе.
Углерод входит в составорганических веществ в растительных и живых организмах, в состав ДНК.Содержится в мышечной ткани – 67%, костной ткани – 36% и крови человека (вчеловеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанногоуглерода).
Свободный углерод
В свободном виде углеродвстречается в нескольких аллотропных модификациях – алмаз, графит, карбин,крайне редко фуллерены. В лабораториях также были синтезированы многие другиемодификации: новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.
Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильнопреломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, нопри этом довольно хрупок. Он настолько тверд, что оставляет царапины набольшинстве материалов.
Плотность алмаза – 3,5г/см3, tплав=3730С, tкип=4830оС. Алмаз можно получить из графита при p > 50тыс. атм. и tо = 1200оC В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан сдругим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркасатомов чрезвычайно велико.
Непрерывная трехмернаясетка 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 вкаратах (1 карат=200мг). Ограненный алмаз называют бриллиантом.
Графит
Графит – устойчивая принормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо-черный цвет иметаллический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черныеследы на бумаге.
Атомы углерода в графитерасположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждыйатом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг негов виде правильного треугольника.
Графит характеризуетсяменьшей плотностью и твердостью, а также графит может расщепляться на тонкиечешуйки. Чешуйки легко прилипают к бумаге – вот почему из графита делаютгрифели карандашей. В пределах шестиугольников возникает склонность кметаллизации, что объясняет хорошую тепло- и электропроводность графита, атакже его металлический блеск.
Фуллерены
Фуллерены – классхимических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, числоатомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклыемногогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников.
Происхождение термина«фуллерен» связано с именем американского архитектора РичардаБукминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурныеконструкции, состоящие из шестиугольников и пятиугольников.
В начале 70-х годовфизхимик–органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричноймолекулыС60, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольныймяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперинсделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы идоказали ее стабильность.
Первый способ получения ивыделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В. Кречмероми Д. Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге(Германия).
В противоположностьпервым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собойпериодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода являетсямолекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является неатом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, котораяимеет форму сферы.
В фуллерене плоская сеткашестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этомчасть 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
Молекулы фуллеренов, вкоторых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойнымисвязями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокойэлектроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильныеокислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллереныспособны образовывать широкий класс химических соединений, обладающихразличными физико-химическими свойствами.
Заключение
Хотя фуллерены имеюткороткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себевсе новых исследователей. Она включает три направления: физика фуллеренов,химия фуллеренов и технология фуллеренов.
Физика фуллереновзанимается исследованием структурных, механических, магнитных, оптическихсвойств фуллеренов и их соединений. Сюда относится также изучение характеравзаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, свойства и структурасистем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболеепродвинутой ветвью в области фуллеренов.
Химия фуллеренов связанас созданием и изучением новых химических соединений, основу которыхсоставляютфуллерены, а также изучает химические процессы, в которых ониучаствуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования этонаправление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.
Технология фуллереноввключает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные ихприложения.