Химия фуллеренов
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
?ческой материей. Фуллерены представляют собой замкнутые сфероидальные структуры, образованные атомами углерода. [1]
Рисунок 1 - Аллотропные модификации углерода (а - алмаз, б -графит, в- фуллерен)
2. История открытия фуллеренов
В 1973 году русские учёные Д. А. Бочвар и Е. Н. Гальперн опубликовали результаты квантово-химических расчётов, из которых следовало, что должна существовать устойчивая форма углерода, содержащая в молекуле 60 углеродных атомов и не имеющая никаких заместителей. В той же статье была предложена форма такой гипотетической молекулы. Выводы этой работы казались в то время совершенно фантастическими. Никто не мог себе представить, что такая молекула может существовать, и тем более - как взяться за её получение. Эта теоретическая работа несколько опередила своё время и была вначале попросту забыта. В 1980-х годах астрофизические исследования позволили установить, что в спектрах некоторых звёзд, так называемых красных гигантах, обнаружены полосы, указывающие на существование чисто углеродных молекул различного размера. В 1985 году Г. Крото. И Р. Смоли начали проводить исследования уже в Земных условиях. Они провели исследования, которые, указывали на существование крупных агрегатов из углеродных атомов - С60 и С70. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Бочваром. [2]
Название фуллерен было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, предложившего строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти- и шестиугольников (рис. 2). На первый взгляд кажется, что конструкция собрана из треугольников, однако чередование пяти - и шестилучёвых центров как раз и соответствует строению фуллерена. [3]
Рисунок 2 - Куполообразные конструкции Бакминстера Фуллера,
3. Геометрическое строение фуллеренов
В самом общем виде молекулы фуллеренов представляют собой многогранник, построенный из многоугольников двух видов: шестиугольников (гексагонов) и пятиугольников (пентагонов). Вершины всех многоугольников - атомы углерода. Поверхность многогранника, составленного из многоугольников, подчиняется формуле Эйлера. Откуда следует, что фуллерен должен содержать 12 пентагонов и произвольное число гексагонов. Действительно, все полученные или смоделированные фуллерены имеют 12 "обязательных" пятиугольников. В зависимости же от количества гексагонов состав сферических молекул может быть различным. [4]
Простейший фуллерен теоретически имеет формулу С20 и состоит только из 12 пентагонов, образующих правильный многогранник - додекаэдр (рис 3). Однако ввиду неустойчивости такой молекулы выделить фуллерен-20 практически не удавалось.
Рисунок 3 - Простейший фуллерен С20 - додекаэдр
Согласно существующим воззрениям на структуру фуллеренов, устойчивыми могут быть только те из них, в которых 12 "обязательных" пентагонов разделены гексагонами и не имеют между собой общих вершин или ребер. Все атомы углерода в молекуле C60-фуллерена находятся в sp2-гибридном состоянии и связаны с тремя другими атомами углерода. Негибридизованные p-орбитали углеродных атомов располагаются перпендикулярно сферической поверхности, образуя ?-электронное облако снаружи и внутри сферы. [5]
Углеродный скелет молекулы C60-фуллерена представляет собой усечённый икосаэдр. Икосаэдр (от греч. eikosi - двадцать, hedra - грань) - правильный многогранник, имеющий 20 граней (в виде равносторонних треугольников), 30 ребер, 12 вершин (в каждой сходится 5 ребер). Усечённый икосаэдр образован отсечением вершин икосаэдра и состоит из 32 граней, из которых 12 - правильные пятиугольники и 20 - правильные шестиугольники. Данный многогранник имеет 60 вершин, в каждой из которых сходится 3 ребра. По форме этот многогранник похож на футбольный мяч.
Рисунок 4 - Молекула фуллерена С60
Высшие фуллерены (например, С78 или С80) допускают различный порядок "выкладывания" поверхности пентагонами и гексагонами при сохранении их общего числа и принципа изоляции пентагонов, т.е. имеют изомеры. Было показано, что высокой стабильностью обладает также и молекула С70, имеющая форму замкнутого сфероида . [2]
Одним из семейств сложных и необычных углеродных кластеров являются тороидальные формы углерода. Такого вида молекулы были экспериментально зафиксированы в 1992 году. Они представляют собой замкнутые поверхности, состоящие из углеродных многоугольников (пяти-, шести- и семиугольники). Наличие в их составе пятиугольников обуславливает положительное искривление поверхности, в то время как семиугольники, наоборот, обеспечивают отрицательную кривизну. Подобные молекулы имеют довольно сложную форму. Они могут содержать различное количество атомов (от 80 до нескольких тысяч) (рис 5). [6]
Рисунок 5 - Сложные формы фуллеренов ( а - С70, б- С120)
4. Получение фуллеренов
Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. На рисунке 6 показана схема установки для получения фуллеренов, которую использовал В.Кретчмер. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц , ве