Фулерени

Карбону

Підготувала:

Гонтова Анастасія Олександрівна

учениця 10 фізико-математичного класу

Перевірила: В. М. Квас

Кіровоград – 2012

План

1. Алотропні модифікації Карбону.................................................................... 2

1.1 Алмаз.......................................................................................................... 2

1.2 Графіт......................................................................................................... 3

1.3 Карбін......................................................................................................... 4

1.4 Фулерени.................................................................................................... 4

1.5 Вуглецеві нанотрубки................................................................................ 5

2.Графен – одна з модифікацій Карбону........................................................... 7

2.1 Загальна характеристика........................................................................... 7

2.2 Історія відкриття графена.......................................................................... 8

2.3 Властивості графена.................................................................................. 8

2.4 Застосування графена................................................................................ 9

Список використаних джерел........................................................................... 10

1. Алотропні модифікації Карбону

Хімічний елемент Карбон утворює кілька простих речовин. Для них існує загальна хімічна назва вуглець.

Явище існування хімічного елемента у вигляді двох або кількох простих речовин, різних за властивостями і будовою, називається алотропією, а самі прості речовини – алотропними формами (модифікаціями).

Вуглець утворює декілька алотропних видозмін:

· природні:

o алмаз

o графіт

o фулурен

o вуглецеві нанотрубки

• штучні:

o карбін,

o графен

o аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля

Алмаз

Поширеними природними алотропними видозмінами Карбону є алмаз і графіт. Ці речовини відрізняються між собою розміщенням атомів у вузлах кристалічних ґраток.

В алмазі щодо будь-якого атома Карбону чотири сусідніх атоми розташовані в кутах правильного тетраедра. Завдяки такому розташуванню атомів Карбону всі зв’язки рівноцінні (прості ковалентні), а відстані між атомами — однакові.

Алмаз прозорий, безбарвний, не проводить електричного струму, дуже добре заломлює світло. Алмази використовують для різання скла, буріння гірських порід (алмазні різці, свердла, шліфувальні круги), для різання і шліфування металів.

Спеціально оброблений алмаз називають діамантом, він високо цінується серед ювелірних прикрас.

1.2 Графіт

У кристалічній ґратці графіту атоми Карбону розташовані окремими шарами.

Зв’язки між атомами реалізуються лише в шарі, який нагадує бджолиний стільник. Кожний атом Карбону сполучений із трьома іншими атомами простими ковалентними зв’язками за рахунок трьох валентних електронів. Четвертий електрон переходить від одного атома до іншого в шарі. Такі електрони зумовлюють електропровідність графіту. Завдяки шаруватій будові графіт досить м’який. Коли ми пишемо олівцем, шари атомів легко відокремлюються один від одного і залишаються на папері.

У межах одного шару атоми Карбону об’єднані в шестиатомні кільця. Зв’язки в межах одного шару набагато сильніші, аніж з атомами сусіднього шару, до того ж відстань між шарами майже в 2, 5 раза більша порівняно з відстанями між атомами в межах одного шару.

Графіт непрозорий, сірого кольору, з металічним блиском, масний на дотик і досить м’який. На відміну від алмазу він проводить електричний струм і тепло. Як м’яку речовину, графітовий порошок використовують для змащування рухомих частин машин і механізмів, щоб зменшити силу тертя. Завдяки електропровідності його використовують у хімічній промисловості як матеріал для електродів, а завдяки теплопровідності — у теплообмінниках.

Отже, через різну будову кристалічних ґраток алмаз і графіт проявляють відмінні фізичні властивості.

У природі вільний Карбон трапляється здебільшого у вигляді графіту й дуже рідко — у вигляді окремих кристалів алмазу. Нині налагоджено промислове виробництво синтетичних алмазів.

Так званий аморфний вуглець (сажа, деревне вугілля) не належить до самостійних алотропних видозмін Карбону, а є дуже дрібними різнозорієнтованими кристаликами графіту.

1.3 Карбін

Ще одну алотропну видозміну Карбону карбін спочатку добули синтетичним способом, а потім виявили в природі у вигляді прожилок і вкраплень у графіті. Атоми Карбону в карбіні сполучені в прямолінійні карбон-карбонові ланцюги =С=С=С= або –С_С–С_С–, розташовані паралельно один до одного. Це біла тверда речовина з надзвичайно довгими молекулами.

Карбін має напівпровідникові властивості, які посилюються під дією світла. На цій властивості базується його практичне застосування у фотоелементах.

Фулерени

Фулере́ ни або бакиболи — одна з кількох алотропних модифікацій Карбону. Відкриті в 1985 Робертом Керлом, Гарольдом Крото й Річардом Смолі, ці невеличкі молекули, що складаються тільки з атомів Карбону. Свою назву фулерени отримали за прізвищем архітектора Бакмінстера Фулера, котрий сконструював купол і павільйон США на виставці у Монреалі у 1967 році у вигляді сполучених пентагонів та гексагонів.

Першовідкривачі отримали Нобелівську премію з хімії за 1996 рік. Найвідоміший фулерен — молекула C₆₀, яка має ідеальну форму футбольного м'яча. Природні фулерени можна знайти в сажі.

Фулерен – п’ята алотропна модифікація вуглецю. Цей термін застосовують до широкого класу сполук із мінімально можливою будовою у 60 атомів вуглецю, що поєднані ковалентним зв’язком у сферичну молекулу, де кожен атом вуглецю поєднаний із трьома іншими, утворюючи п'ятикутники та шестикутники на поверхнях. Найбільша молекула фулерену складається із 560 атомів вуглецю. Найбільш вивченою молекулою фулерену є молекула С₆₀. С₆₀ найменший фулерен, що відповідає правилу ізольованого пентагону і тому він є найменшим стійким фулереном.

Якийсь час фулерен був доступний лише в кількостях, достатніх для спектральних досліджень, але не хімічних. Одержати фулерен у помітних кількостях вдалося Д.Хаффману і В.Кретчмеру, що провели випарювання графіту за допомогою електричної дуги в атмосфері гелію.

Чотиривалентність вуглецю у формулі фулерена повністю виконується. Правильніше зображувати фулерен у вигляді каркасу з простими короткими зв’язками, що чергуються, але частіше застосовують спрощене зображення, де каркас складається з однарних рисок. Ще одна незвичайна структурна особливість фулерену полягає в тому, що його молекула має внутрішню порожнину, діаметр якої приблизно 0, 5 нм. Зовнішній діаметр самої молекули 0, 71 нм.

Фулерен – винятково стійка сполука. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем повітря, стійкий до дії кислот і лугів, не плавиться до температури 360⁰С.

1.5 Вуглецеві нанотрубки

Вуглецеві нанотрубки — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох мікрон складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин (графенів) і закінчуються зазвичай півсферичною головкою.

НАНОТРУБКИ ВУГЛЕЦЮ виявлені у 1991 р. Бувають одно- і багатошарові. Утворюються при розкладанні вуглецевовмісних газів (СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂, СО, парів С₆Н₆ і т.д.) на каталітично активних поверхнях металів (Fe, Co, Ni тощо) при т-рах 300 – 1500 °С. Нанотрубки можуть набувати найрізноманітніших форм – від прямолінійних до скручених волокон (у т.ч. спіралей). Головна особливість цих вуглецевих наноструктур (як і фулеренів) – їх каркасна форма.

Якщо глобально оцінювати застосування нанотрубок, то можна впевнено стверджувати, що ми стали свідками початку ще однієї технічної революції. В наступні десять років будуть створені нанороботи-репліканти, на основі нанотрубок та інших наноматеріалів. Головною метою їх створення є побудова інших роботів та структур із атомарною якістю. Важко осягнути всі можливості такої перспективи. Ми зможемо, наприклад, перемогти практично всі інфекційні, хронічні, генетичні хвороби, досить буде мати індивідуальну програму керування для нанороботів та один наноробот-реплікант. Він розмножить себе до достатньої кількості і згідно програми буде на молекулярному рівні відшукувати збудника хвороби і переробляти його, наприклад, на глікоген.

2.Графен – одна з модифікацій Карбону

Лауреатами Нобелівської премії 2010 року по фізиці стали Костянтин Новосьолов і Андрій Гейм (випускники МФТІ, вчені з Манчестерського університету) за відкриття графену. Ця речовина може зробити революцію в індустрії електроніки й дозволить створювати легкі, міцніші від сталі, матеріали та надпотужні високочастотні електронні пристрої. Гейм заявив, що він " бачить паралелі із ситуацією, що склалася близько 100 років тому, коли були відкриті полімери. Пройшов якийсь час і полімери ввійшли в наше життя у вигляді пластмаси та стали відігравати важливу роль у житті людей".