Фуллерен аллотропная модификация углерода кратко

Обновлено: 05.07.2024

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \( +2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Существует несколько аллотропных видоизменений, образованных атомами углерода. Наиболее распространены алмаз и графит .

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

фуллерен (англ. fullerene или buckyball) — аллотропная модификация углерода, часто называемая молекулярной формой углерода. Семейство фуллеренов включает целый ряд атомных кластеров C_n (n > 20), представляющих собой построенные из атомов углерода замкнутые выпуклые многогранники с пяти- и шестиугольными гранями (за редкими исключениями). В незамещенных фуллеренах атомы углерода имеют координационное число 3 и находятся в sp 2 -гибридном состоянии, образуя сферическую сопряженную ненасыщенную систему.

Описание

Наиболее термодинамически устойчивой при нормальных условиях формой углерода является графит, представляющий собой стопку слабо связанных между собой графеновых листов — плоских решеток из шестиугольных ячеек с атомами углерода в вершинах. Каждый из атомов связан, соответственно, с тремя соседними, а четвертый валентный электрон идет на образование -системы; иначе говоря, атомы углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии. Введение геометрических дефектов в графеновый лист может привести к образованию замкнутой структуры. В качестве таких дефектов выступают пятиугольные грани (пятичленные циклы), наиболее распространенные в химии углерода наряду с шестиугольными. Из теоремы Эйлера следует, что замкнутый многогранник с трехкоординированными вершинами может быть получен в результате введения 12 пятиугольников вне зависимости от количества шестиугольных граней. Таким образом, фуллереном минимального размера формально является додекаэдр C₂₀.

Однако высокая кривизна C₂₀ и других структур с малым числом атомов углерода слишком невыгодна для sp 2 -гибридного состояния углерода, предпочитающего плоскую координацию. Поэтому наименьшим из реально получаемых в чистом виде фуллеренов является C₆₀ со структурой правильного усеченного икосаэдра, в котором все пятиугольные грани отделены друг от друга шестиугольными.

Фуллерены получают преимущественно электродуговым, а также электроннолучевым или лазерным распылением графита в атмосфере гелия. Образующаяся сажа конденсируется на холодной поверхности реактора, собирается и обрабатывается в кипящем толуоле, бензоле, ксилоле или других органических растворителях. После выпаривания раствора образуется черный конденсат, который примерно на 10–15% состоит из смеси фуллеренов C₆₀ и C₇₀, а также небольш их количеств высших фуллеренов. В зависимости от параметров синтеза, соотношение между C₆₀ и C₇₀ может варьироваться, но обычно C60 преобладает над C₇₀ в несколько раз. Среди высших фуллеренов преобладают C₈₄, C₇₆ и C₇₈, в целом же наблюдается тенденция к падению доли фуллерена в продуктах синтеза с размером, связанная, по-видимому, с уменьшением вероятности сборки более крупных структур из исходно испаряемых мелких углеродных кластеров.

C₆₀ является наиболее распространенным и изучаемым фуллереном. Его молекула, в которой все атомы эквиваленты вследствие высокой симметрии, имеет сферическую форму с расстоянием от центра до ядер атомов около 0,36 нм и ван-дер-ваальсовым радиусом около 0,5 нм. C₆₀ образует молекулярный кристалл, в котором молекулы находятся в узлах кубической гранецентрированной решетки, т. е. трехслойной плотнейшей шаровой упаковки (см. фуллерит). При высоких температурах C₆₀ сублимирует без образования жидкой фазы. Лучше всего C₆₀ растворим в ароматических веществах и таких растворителях, как сероуглерод, тогда как в полярных растворителях он растворим плохо. Физические и химические свойства C₇₀, имеющего вытянутую эллипсоидальную форму, и высших фуллеренов близки к свойствам C₆₀.

С точки зрения химии, фуллерены дают богатые возможности для получения различных классов производных. Внедрение атомов и малых кластеров внутрь углеродного каркаса приводит к эндоэдральным фуллеренам, из которых наиболее интересны металлофуллерены (например, La@C₈₂, Sc₃N@C₈₀). При замещении атомов углерода в каркасе получают гетерофуллерены (например, C₅₉B, C₄₈N₁₂, C_59–2nFe, где n = 0–10, или C_60,70M_x, где M= Rh, Ir и x = 3–15 для Rh и x = 2–5 для Ir). Наиболее богато семейство продуктов внешнесферного (экзоэдрального) присоединения, поскольку каждый атом углерода в фуллеренах фактически является доступным реакционным центром. Известны продукты присоединения к фуллеренам атомов водорода и галогенов, органических радикалов, происходит также присоединение циклов, получены фуллерен-содержащие полимерные материалы и многосферные соединения фуллеренов. При этом часто получают смеси с варьируемым в широких пределах числом присоединенных групп и сложным изомерным составом. В случае C₆₀, например, можно присоединить до 48 заместителей без разрушения углеродного каркаса (например, получить C₆₀F₄₈).

Практический интерес к фуллеренам лежит в разных областях. С точки зрения электронных свойств, фуллерены и их производные в конденсированной фазе можно рассматривать как полупроводники n-типа (с шириной запрещенной зоны порядка 1,5 эВ в случае C₆₀). Они хорошо поглощают излучение в УФ и видимой области. При этом сферическая сопряженная -система фуллеренов обуславливает их высокие электроноакцепторные способности (сродство к электрону C₆₀ составляет 2,7 эВ, во многих высших фуллеренах оно превышает 3 эВ и может быть еще выше в некоторых производных). Все это обуславливает интерес к фуллеренам с точки зрения их применения в фотовольтаике, активно ведется синтез донорно-акцепторных систем на основе фуллеренов для применения в солнечных батареях (известны примеры с КПД 5,5%), фотосенсорах и других устройствах молекулярной электроники. Также широко исследуются, в частности, биомедицинские применения фуллеренов в качестве противомикробных и противовирусных средств, агентов для фотодинамической терапии и т.д.

Обзор

Автор

Редакторы

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Мячи для нанофутболистов

Рисунок 1. Молекула фуллерена очень похожа на футбольный мяч, только забивать им голы сможет лишь футболист наноскопического размера

Физики и химики нашли фуллеренам множество применений: их используют при синтезе новых соединений в оптике и при производстве проводников. О биологических же свойствах фуллеренов долгое время поступали неоднозначные данные: биологи то объявляли их токсичными [4], то обнаруживали антиоксидантные свойства фуллеренов и предлагали использовать их в лечении таких серьезных заболеваний, как бронхиальная астма [5].

Крысы-долгожители

Почему же фуллерены оказались столь эффективными в борьбе со старением?

Рисунок 3а. Схема строения митохондрии

Моделирование in silico: что сделали физики

Биологи подтверждают гипотезу?

Рисунок 5. Светящиеся бактерии на чашке Петри (слева) и принцип действия биосенсоров (справа)

Такие модифицированные штаммы разрабатываются в ГосНИИ Генетики [19] и широко применяются в генетической токсикологии [20] при изучении механизмов действия излучений и окислительного стресса [21], действия антиоксидантов (в частности, SkQ1 [22]), а также для поиска новых перспективных антиоксидантов среди синтезируемых химиками веществ [23].

Первые же результаты показали, что водная суспензия фуллерена C₆₀, для более эффективного растворения обработанная ультразвуком, при добавлении к культуре биосенсоров увеличивала их устойчивость к повреждению ДНК активными формами кислорода. Уровень таких повреждений в опыте был на 50–60% ниже, чем в контроле.

В этой статье мы дадим характеристику углерода с точки зрения химии: узнаем, металл это или неметалл, какими свойствами он обладает, с какими веществами реагирует и где находят применение различные модификации углерода.

О чем эта статья:

Углерод — это химический элемент, неметалл, расположенный в таблице Д. И. Менделеева в главной подгруппе IV группы, во 2-м периоде, имеет порядковый номер 6.

Агрегатное состояние углерода при нормальных условиях — твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Химическая формула углерода — С.

Строение углерода

В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два из них расположены вблизи ядра и образуют первый слой (1s-состояние). Следующие четыре электрона образуют второй электронный слой. Два из четырех электронов находятся в 2s-состоянии, а два других — в 2р-состоянии. Нейтральный атом углерода в основном состоянии двухвалентен и имеет электронно-графическую конфигурацию 1s 2 2s 2 2р 2 .

Возможные валентности: II, IV.

Аллотропия углерода

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).

Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).

Рассмотрим подробнее основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение.

Алмаз

Алмаз — трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, имеет высокую теплопроводность. Его используют в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Несмотря на то что алмаз твердый, в то же время он хрупкий. Получающийся при измельчении алмаза порошок применяют для шлифовки драгоценных камней. Хорошо отшлифованные прозрачные алмазы называют бриллиантами.

В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.

Одно из уникальных свойств алмазов — способность преломлять свет (люминесценция). При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. При этом необработанный алмаз не обладает такими качествами.

В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1 500–3 000 °С). Процесс протекает в присутствии катализатора (например, Ni).

При нагревании алмаза до 1 000 °С и высоком давлении без доступа воздуха получают графит. При температуре 1 750 °С переход из алмаза в графит протекает существенно быстрее. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.

Графит

Графит — темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Хорошо электро- и теплопроводен, стоек при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. На поверхности оставляет черные черты. На ощупь графит жирный и скользкий.

Графит термодинамически устойчив, поэтому в расчетах термодинамических величин он принимается в качестве стандартного состояния углерода.

На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде с образованием диоксида углерода.

При температуре 3 000 °С в электрических печах получают искусственный графит из лучших сортов каменного угля.

Графен

Графен представляет собой монослой графита. Впервые графен был получен ручным механическим отщеплением в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.

В более крупных масштабах графен получают при помощи нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых состоит из карбида кремния. Под действием высоких температур происходит отщепление атомов углерода, которые остаются на пластинке в виде графена, а кремний испаряется. Графен представляет собой тонкое и прочное вещество с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Карбин

Карбин — твердое черное вещество. Состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки: −С≡С−С≡С−С≡С−.

Впервые карбин был открыт в 60-х годах, но его существование не признавали до тех пор, пока его не обнаружили в природе — в метеоритном веществе.

Карбин — полупроводник, под действием света его проводимость сильно увеличивается. Переход в графит возможен при нагревании до 2 300 °С.

Карбин применяют в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Уголь

Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путем термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха.

Угли имеют разные свойства в зависимости от веществ, из которых получены. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Благодаря пористому строению он обладает высокой адсорбционной способностью.

Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) с ограниченным доступом воздуха.

Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.

Сравнение основных аллотропных модификаций углерода

Нахождение углерода в природе

Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO₃ (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO₃, а также горючих ископаемых.

Читайте также: