Студенческий сайт КФУ - ex ТНУ » Учебный раздел » Учебные файлы »Химия

Водорастворимые фуллерены

Тип: реферат
Категория: Химия
Скачать
Купить
Фуллерены – новые аллотропные формы углерода: структура кристаллической решетки, электронное строение и химические свойства. Исследования фуллеренов, перспективы их применения в биологии, медицине. Методы получения водорастворимой формы - фуллеренолов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Иркутская государственная сельскохозяйственная академия

Факультет охотоведения

Кафедра электрооборудования и физики

РЕФЕРАТ

Водорастворимые фуллерены

Выполнил: Ефимов Н.Н.

Руководитель: профессор, к. ф.-м. н.

Кутимская М.А.

Иркутск - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Открытие фуллеренов

2. Строение фуллеренов

3. Свойства фуллеренов

4. Перспективы практического использования

Список литературы

1. Открытие фуллеренов

Самое твердое вещество в природе -- алмаз. Это углеродное соединение имеет кристаллическую решетку в форме тетраэдра -- пирамиды с четырьмя равновеликими треугольными гранями. Его вершины образованы четырьмя атомами углерода. Треугольник -- очень жесткая фигура его можно сломать, но деформировать или смять нельзя. Именно поэтому прочность алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решеткой, состоящей не из атомов, а из молекул. Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то кристаллическая решетка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям в полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм.

Открытие фуллеренов - новой формы существования одного из самых распространенных элементов на Земле - углерода, признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Как это часто бывает, открытие фуллеренов не стало результатом целенаправленного поиска. Основное направление работ в лаборатории Е. Смолли в Университете Раиса Техаса, где в 1980-е годы было сделано открытие, связанное с исследованиями структуры металлических кластеров. Методика подобных исследований основана на измерении масс-спектров частиц, которые образуются в результате интенсивного воздействия лазерного излучения на поверхность исследуемого материала. Результаты экспериментов привели в шоковое состояние его участников. В то время как для большинства исследованных ранее кластеров типичные значения магических чисел составляют в зависимости от взаимного расположения атомов значения 13, 19, 55 и т.п., в масс-спектре кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной. И задолго до этого некоторые авторы предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой. Однако эти предположения носили сугубо умозрительный, чисто теоретический характер. Вообразить, что такие соединения могут быть получены путем химического синтеза, было довольно трудно. Поэтому данные работы остались незамеченными, и внимание на них было обращено только задним числом, уже после экспериментального обнаружения фуллеренов. Подлинный бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло после того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д. Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах. Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии. В результате были сделаны новые открытия.

2. Строение фуллеренов

Так, в 1991 году американские ученые обнаружили сверхпроводимость фуллереновых кристаллов, легированных атомами щелочных металлов, с критической температурой от 18 до 40 градусов Кельвина в зависимости от сорта щелочного металла. И по сегодняшний день исследования и разработки в области фуллеренов являются одним из приоритетных направлений мировой науки и технологии. Подобная популярность связана с удивительными физико-химическими свойствами фуллеренов, открывающими возможность их прикладного использования. Очень скоро после этого были определены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена. Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в решетке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть "особый" фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12--6 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Все это и определяет необычайную твердость кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твердости алмаза. Новая форма углерода растворима в целом ряде органических растворителей, что исключительно важно для осуществления химических превращений.

Фуллерены построены из пятиугольников и шестиугольников, в вершинах которых лежат атомы углерода. Наименьшим стабильным фуллереном является бакминстерфуллерен C60.

С60

Его следующим устойчивым гомологом является C70, за которым следуют C76, C78, C82, C84, C90, C94, C96 и т.д. В основе строения их молекул лежит одно из следствий теоремы Эйлера, которое говорит о том, что для выстилания сферической поверхности необходимо n шестиугольников и 12 пятиугольников, за исключением n = 1. Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью. Они способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает фуллерены сильными окислителями. Они способны образовывать множество новых химических соединений с новыми интересными свойствами. В состав химических соединений фуллеренов, входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями. Поэтому можно рассматривать их как трехмерный аналог ароматических соединений. Кристаллы фуллеренов представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1--2 эВ. Они обладают фотопроводимостью при облучении видимым светом.

В соответствии с правилами IUPAC фуллерен C60 получил название, которое слишком неудобно для повседневного употребления:

гентриаконтацикло-[29.29.0.02,14. 03,12.04,59.05,10. 06,58.07,55.08,53.

09,21.011,20.013,18.015,30.016,28.017,25. 019,24.022,52.023,50.

026,49.027,47.029,45.032,44.033,60.034,57. 035,43.036,56.037,41.

038,54.039,51.040,48. 042,46]-гексаконта- 1,3,5(10),6,8,11,

13(18),14,16,19, 21,23,25,27,29(45),30,32(44),33,35(43), 36,38(54),39(51),

40(48),41,46,49, 52,55,57,59-триаконтаен

Однако возможность существования огромного числа изомеров требует введения более простой номенклатуры. Так, C60 предложено называть[5,6]-фуллереном-60-Ih, где цифры 5 и 6 указывают на структурные единицы молекулы - пятиугольники и шестиугольники, а цифра 60 обозначает общее число атомов углерода в молекуле. Так как у простейших фуллеренов существует только по одному стабильному изомеру, их названия упрощают до фуллерена-60 и фуллерена-70. При записи структурных формул атомы углерода с обратной стороны сферы опускают для ясности.

Cогласно номенклатуре IUPAC фуллерену С60 присвоено название:

(С60-Ih)[5,6]fullerene.

CAS регистрационный номер (уникальный, стандартизованный идентификатор химических соединений) для fullerene С60 - 99685-96-8.

С60 - наиболее легко образующегося соединения среди известных фуллеренов. За свое открытие - обнаружение углеродных кластеров состава C60 и C70 - Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Ими же и была предложена структура фуллерена C60, известная всем любителям футбола. Как известно, оболочка футбольного мяча скроена из 12 пентагонов и 20 гексагонов. Теоретически возможно 12500 вариантов расположения двойных и ординарных связей. Наиболее стабильный изомер (показанный на рисунке) имеет структуру усеченного икосаэдра, в которой отсутствуют двойные связи в пентагонах. Этот изомер С60 получил название «Бакминстерфуллерен» в честь известного архитектора по имени R. Buckminster Fuller, создавшего сооружения, куполообразный каркас которых сконструирован из пентагонов и гексагонов. Вскоре была предложена структура для С70, напоминающая мяч для игры в регби (с вытянутой формой).

С70

Согласно номенклатуре IUPAC фуллерену С70 присвоено название:

(С70-D5h(6))[5,6]fullerene.

CAS регистрационный номер для fullerene С70 - 115383-22-7.

Внешне фуллерены представляют собой мелкокристаллические порошки черного цвета, лишенные запаха. В воде, этаноле, ацетоне и других полярных растворителях они практически нерастворимы, зато в бензоле, толуоле, фенилхлориде растворяются с образованием окрашенных в красно-фиолетовый цвет растворов. Замечательно, что если к насыщенному раствору C60 в диоксане, имеющему желто-коричневый цвет, добавить каплю стирола, мгновенно происходит явственное изменение окраски раствора на красно-фиолетовую, объясняемую обра...

Другие файлы:

Фуллерены

Фуллерены. Синтез, методы получения

Углеродные нанотрубы и родственные структуры
Первая Монография по углеродным нанотрубам. Книга будет интересна химикам, Физикам, материаловедам и инженерам, работающим с углеродными материалами,...

Современные атомные системы
Наночастицы - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода. Сущность нанотехнологии; наноматериалы: углеродные нанотрубки,...

Нанотрубки и фуллерены
Приведены основные сведения о важнейших материалах современной нанотехнологии — фуллеренах и нанотрубках, обобщены новейшие достижения в синтезе и исс...