Слайд 1Углерод
Аллотропные модификации
Слайд 2Положение в таблице Менделеева
Углерод Carbogenium - 6ой элемент в таблице
Менделеева. Он располагается в главной подгруппе четвертой группы, втором периоде.
Углерод-типичный неметалл.
Слайд 3Нахождение в природе
Углерод входит в состав органических веществ в растительных
и живых организмах, в состав ДНК. Содержится в мышечной ткани
– 67%, костной ткани – 36% и крови человека (в человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного углерода).
Слайд 4Свободный углерод
В свободном виде углерод встречается в нескольких аллотропных модификациях
– алмаз, графит, карбин, крайне редко фуллерены. В лабораториях также
были синтезированы многие другие модификации: новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.
Слайд 7Модель фуллерена С60
Модель фуллерена С60
Слайд 9Алмаз
Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже
всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок.
Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов.
Структура алмаза
Слайд 10Графит
Графит – устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет
серо-черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень
мягок и оставляет черные следы на бумаге.
Структура графита
Слайд 11Графит
Графит характеризуется меньшей плотностью и твердостью, а также графит может
расщепляться на тонкие чешуйки. Чешуйки легко прилипают к бумаге –
вот почему из графита делают грифели карандашей. В пределах шестиугольников возникает склонность к металлизации, что объясняет хорошую тепло- и электропроводность графита, а также его металлический блеск.
Графитовый электрод
Слайд 12Карбин
Карбин был получен в начале 60-х годов В.В. Коршаком, А.М.
Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым. Карбин имеет кристаллическую структуру, в
которой атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями.
Строение карбина
Слайд 13Карбин
Он имеет вид черного мелкокристаллического порошка, однако может существовать в
виде белого вещества с промежуточной плотностью. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами,
под действием света его проводимость резко увеличивается.
Слайд 14Другие формы углерода
Известны и другие формы углерода, такие как уголь,
кокс и сажа. Но все эти формы являются композитами, то
есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.
Сажа
Слайд 15Фуллерены
В противоположность первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет
собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является молекулярной.
Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, которая имеет форму сферы.
Модель фуллерена С60
Слайд 16Фуллерены
В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита
в замкнутую сферу. При этом часть 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< 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20.
Слайд 17Фуллерены
Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как
одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур.
Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.
Слайд 18Нанотрубки
Наряду со сфероидальными углеродными структурами, могут образовываться также и протяженные
цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, которые отличаются широким разнообразием физико-химических
свойств.
Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.
Строение нанотрубки
Слайд 19Нанотрубки
Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм
и конфигураций. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на
рисунке. Структура типа "русской матрешки") представляет собой совокупность вложенных друг в друга однослойных нанотрубок (а). Другая разновидность этой структуры, показанная на рисунке б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга призм. Наконец, последняя из приведённых структур (в), напоминает свиток. .
Слайд 20Наночастицы
В процессе образования фуллеренов из графита образуются также наночастицы. Это
замкнутые структуры, подобные фуллеренам, но значительно превышающие их по размеру.
В отличие от фуллеренов, они также как и нанотрубки могут содержать несколько слоев., имеют структуру замкнутых, вложенных друг в друга графитовых оболочек. В наночастицах, аналогично графиту, атомы внутри оболочки связаны химическими связями, а между атомами соседних оболочек действует слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. Обычно оболочки наночастиц имеют форму близкую к многограннику. В структуре каждой такой оболочки, кроме шестиугольников, как в структуре графита, есть 12 пятиугольников, наблюдаются дополнительные пары из пяти и семиугольников.
Слайд 21Заключение
Хотя фуллерены имеют короткую историю, это направление науки быстро развивается,
привлекая к себе все новых исследователей. Она включает три направления:
физика фуллеренов, химия фуллеренов и технология фуллеренов.
Физика фуллеренов занимается исследованием структурных, механических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений. Сюда относится также изучение характера взаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, свойства и структура систем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболее продвинутой ветвью в области фуллеренов.
Химия фуллеренов связана с созданием и изучением новых химических соединений, основу которых составляютфуллерены, а также изучает химические процессы, в которых они участвуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования это направление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.
Технология фуллеренов включает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные их приложения.