Доповідь на тему:
«Вуглець. Алотропні модифікації »
Становище в таблиці Менделєєва
Вуглець Carbogenium - друга елемент в таблиці Менделєєва. Він розташовується в головній підгрупі четвертої групи, другому періоді. Вуглець-типовий неметал.
Знаходження в природі
В даний час відомо більше мільйона сполук вуглецю з іншими елементами. Їх вивчення складає цілу науку - органічну хімію. У теж час за вивчення властивостей чистого вуглецю вчені взялися порівняно недавно - близько 20 років тому.
Вуглець займає 17-е місце за поширеністю в земній корі - 0,048%. Але, незважаючи на це, він грає величезну роль в живій і неживій природі.
Вуглець входить до складу органічних речовин в рослинних і живих організмах, до складу ДНК. Міститься в м'язовій тканині - 67%, кісткової тканини - 36% і крові людини (в людському організмі масою 70 кг в середньому міститься 16 кг зв'язаного вуглецю).
Вільний вуглець
У вільному вигляді вуглець зустрічається в декількох аллотропних модифікаціях - алмаз, графіт, карбін, вкрай рідко фулерени. У лабораторіях також були синтезовані багато інших модифікації: нові фулерени, нанотрубки, наночастинки та ін
Алмаз - безбарвна, прозора, сильно переломлює світло речовина. Алмаз твердіше всіх знайдених в природі речовин, але при цьому досить крихкий. Він настільки твердий, що залишає подряпини на більшості матеріалів.
Щільність алмазу - 3,5 г/см3, tплав = 3730С, tкип = 4830оС. Алмаз можна отримати з графіту при p> 50 тис. атм. і tо = 1200оC В алмазі кожен 4-х валентний атом вуглецю пов'язаний з іншим атомом вуглецю ковалентним зв'язком і кількість таких пов'язаних в каркас атомів надзвичайно велике.
Безперервна тривимірна сітка ковалентних зв'язків, яка характеризується великою міцністю, визначає багато властивостей алмазу, так то погана тепло-і електропровідність, а також хімічна інертність. Алмази дуже рідкісні і цінні, їх вага вимірюється в каратах (1 карат = 200мг). Огранований алмаз називають діамантом.
Графіт
Графіт - стійка при нормальних умовах аллотропная модифікація вуглецю, має сіро-чорний колір і металевий блиск, здається жирним на дотик, дуже м'який і залишає чорні сліди на папері.
Атоми вуглецю в графіті розташовані окремими шарами, утвореними з плоских шестикутників. Кожен атом вуглецю на площині оточений трьома сусідніми, розташованими навколо нього у вигляді правильного трикутника.
Графіт характеризується меншою густиною і твердістю, а також графіт може розщеплюватися на тонкі лусочки. Луска легко прилипають до паперу - ось чому з графіту роблять грифелі олівців. У межах шестикутників виникає схильність до металізації, що пояснює хорошу тепло-і електропровідність графіту, а також його металевий блиск.
Фулерени
Фулерени - клас хімічних сполук, молекули яких складаються тільки з вуглецю, число атомів якого парно, від 32 і більше 500, вони представляють за структурою опуклі багатогранники, побудовані з правильних п'яти-і шестикутників.
Походження терміна "фулерен" пов'язане з ім'ям американського архітектора Річарда Букмінстера Фуллера, конструювати напівсферичні архітектурні конструкції, що складаються з шестикутників і п'ятикутників.
На початку 70-х років фізхімік-органік Є. Осава припустив існування порожнистої, високосімметрічной молекулиС60, зі структурою у вигляді усіченого ікосаедра, схожою на футбольний м'яч. Трохи пізніше (1973 р.) російські вчені Д.А. Бочвар і Є.Г. Гальперин зробили перші теоретичні квантово-хімічні розрахунки такої молекули і довели її стабільність.
Перший спосіб отримання і виділення твердого кристалічного фулерену був запропонований у 1990 р. В. Кречмером і Д. Хафманом з колегами в інституті ядерної фізики в м. Гейдельберзі (Німеччина).
На противагу першим двом, графіту і алмазу, структура яких представляє собою періодичну решітку атомів, третя форма чистого вуглецю є молекулярної. Це означає, що мінімальним елементом її структури є не атом, а молекула вуглецю, що представляє собою замкнуту поверхню, яка має форму сфери.
У фулеренів плоска сітка шестикутників (графітова сітка) згорнута і зшита в замкнуту сферу. При цьому частина шестикутників перетвориться в п'ятикутник. Утворюється структура - усічений ікосаедр. Кожна вершина цієї фігури має трьох найближчих сусідів. Кожен шестикутник межує з трьома шестикутниками і трьома п'ятикутниками, а кожен п'ятикутник межує тільки з шестикутниками.
Фулерени з n <60 виявилися нестійкими, хоча з чисто топологічних міркувань найменшим можливим фулереном є правильний додекаедр С20.
Молекули фулеренів, в яких атоми вуглецю зв'язані між собою як одинарні, так і подвійними зв'язками, є тривимірними аналогами ароматичних структур. Маючи високу електронегативність, вони виступають в хімічних реакціях як сильні окислювачі. Приєднуючи до себе радикали різної хімічної природи, фулерени здатні утворювати широкий клас хімічних сполук, що володіють різними фізико-хімічними властивостями.
Висновок
Хоча фулерени мають коротку історію, цей напрям науки швидко розвивається, залучаючи до себе все нових дослідників. Вона включає три напрями: фізика фулеренів, хімія фулеренів і технологія фулеренів.
Фізика фулеренів займається дослідженням структурних, механічних, магнітних, оптичних властивостей фулеренів та їх сполук. Сюди відноситься також вивчення характеру взаємодії між атомами вуглецю в цих з'єднаннях, властивості і структура систем, що складаються з молекул фулеренів. Фізика фулеренів є найбільш просунутою гілкою в області фулеренів.
Хімія фулеренів пов'язана зі створенням та вивченням нових хімічних сполук, основу яких составляютфуллерени, а також вивчає хімічні процеси, в яких вони беруть участь. Слід зазначити, що по концепціям і методам дослідження цей напрямок хімії багато в чому принципово відрізняється від традиційної хімії.
Технологія фулеренів включає в себе як методи виробництва фулеренів, так і різні їх застосування.