Български English [beta]
Здравей, гостенино. (вход, регистрация)
Екип Партньори Ресурси Статистики За контакт
Добави в любимиПредложи статияКонкурсиЗа рекламодатели
Начало
Форум
Към Кратки
Всички статии
 Литература
 Музика
 Филми и анимация
 На малкия екран
 Публицистика
 Популярни
 Кулинария
 Игри
 Спорт
 Творчество
 Други
Ключови думи
Поредици
Бюлетин

Търсене

Сивостен :: Фулерени (статия) - Наука, Химия
Фулерени

Автор: Amelia, четвъртък, 15 юли 2004.

Публикувано в Статии :: Популярни; Предложи Гледна точка

Намали размера на шрифтаУвеличи размера на шрифта

Колко алотропни форми има въглерода? А? Колко? 3? Нееееееееее! 5 са! Как така 5 ли? Ами ето как...

Ода за въглерода


Има ли смисъл да убеждавам околните колко невероятен е този химичен елемент? Всяка стотна от живота ни е свързана по някакъв начин с него. Независимо от това какво правим – ние се храним с него, обличаме го и го употребяваме за най-различни цели. Ето, например, в момента аз седя в къщи, във въглеродсъдържащата си хавлия и натискам с въглеродсъдържащите си пръсти въглеродсъдържащите копчета на клавиатурата, докато въглеордсъдържащият ми мозък се опитва да оформи правилно ужасяващото изречение, което четете. През това време, вероятно някой от вас, също въглеродсъдържащ, се вози нанякъде в натъпкан рейс, движен от въглеродсъдържащо гориво, на въглеродсъдържащи гуми, по въглеродсъдържащ асфалт... Зашеметяващо е, като се замисли човек! Живеем от него и посредством него. Тук на Земята важи простичкото уравнение живот = въглерод. Това е той - Цар Въглерод и неговото необятно царство – органичната химия.

Накратко

Виж още: Наука [34]; Химия [5]



Разбира се, всичко това произтича от уникалните свойства на този елемент. Никой друг от събратята му в периодичната система не би могъл да се състезава на равна нога с него, когато нещата опрат до образуване на връзки, вериги и мрежи, които да са хем здрави, хем гъвкави, хем подлежащи на бърза промяна...С четирите си валентни електрона, въглеродът може да направи милиони различни комбинации, милиони съединения и изомери. И оттам, къде пряко, къде косвено – стотици хиляди форми на живот.

Нека хвърлим един поглед на електронната му структура, тъй като именно тя е в основата на тези му способности. Въглеродът се намира под номер 6 в периодичната система на Менделеев. Това означава, че в ядрото му има 6 протона, а в електронния облак около него – 6 електрона. Тези електрони са разположени в два слоя, от които външния е по-интересен, тъй като съдържа т.нар. валентни електрони – тези, посредством които въглеродът встъпва в химични реакции, или изразява своите оптични и магнитни свойства. Външният слой, от своя страна е разделен на два подслоя – 2s и 2p. Когато атомът на въглерода е в основно състояние, 2s нивото съдържа два сдвоени електрона, а останалите 2 електрона се намират в две от трите “клетки” (орбитали) на 2p нивото.

Ако атомът погълне по някакъв начин енергия, той преминава във възбудената си електронна конфигурация – 4 единични електрона в четирите клетки на 2s и 2p нивата. Така той би могъл да образува 4 връзки с други атоми (въглеродни и невъглеродни).

Тези връзки биха имали различна дължина, тъй като са образувани от 2 типа електрони – s и p. Според експерименталните данни, обаче, такава разлика в молекула, в която въглеродният атом е свързан с 4 еднакви други атома, не се наблюдава.

Т.е, в една такава молекула всички връзки са с равна дължина. Това е възможно само ако четирите типа орбитали, на които се намират валентните електрони, са се «омесили» по някакъв начин до получаването на 4 нови и еднакви орбитали. Процесът на «омесване» се нарича хибридизация, а новололучените орбитали са т.нар хибридни орбитали. Възможна е различна степен на хибридизация – sp (между една s и една p орбитала) , sp2 (една s и две p орбитали) и sp3 (една s и три p орбитали – вж. картинката). Различната хибридизация довежда до различни свойства.



И след този продължителен увод вече мога да премина по същество нататък. Та, колко алотропни форми има въглерода?

Алотропните форми

Диамант.

Нека да видим първата. Диамант. Кой би повярвал, че това прозрачно блестящо и струващо цяло състояние камъче е в близка родствена връзка със саждите в печката (a.k.a карбин – трета алотропна форма, която поради аморфната си структура не представлява кой знае какъв интерес)? В диамантената кристална решетка въглеродните атоми са в sp3 хибридно състояние. Тази структура оправдава голямата твърдост на диаманта и липсата на електропроводност в него. Доста по-интересен от физична и химична гледна точка е неговият събрат – втората алотропна форма на въглерода – графита.


Графит.

Може ювелирните му качества да не са на ниво, но пък за сметка на това той има много широко приложение в индустрията и бита. Въглеродните атоми в него са в sp2 хибридно състояние, което означава, че 3 от четирите атомни орбитали са взаимодействали помежду си до образуването на 3 нови еднакви хибридни орбитали, а една самотна p орбиталка е останала непроменена. При взаимодействието между два такива въглеродни атома се образува двойна връзка – едната компонента към нея се получава при челното припокриване на две от хибридизираните орбитали по оста, която свързва двете въглеродни ядра, а другата – при припокриването под и над оста на двете нехибридизирани p орбитали.



Електроните, които прнадлежат на тази втора връзка, са по-леко свързани с ядрото. В система като графита, която съдържа голямо количество въглеродни атоми, се получават и голямо количество двойни връзки. Стига се до т.нар ароматна структура. Тя се характеризира с висока делокализация на електроните (електроните могат да циркулират свободно по «каналчетата», оформени при припокриването на нехибридизираните орбитали и спират да са строго фиксирани при един атом), което пък води до появата на проводящи свойства.

Графитът е със слоеста структура. Той се състои от множество подредени една над друга плоскости, наречени графенови, всяка, от които представлява множество прилепени шестоъгълни кутийки (като в пчелен восък). Между отделните плоскости действат слаби междумолекулни взаимодействия и те могат да се отделят една от друга. Именно благодарение на това, ние можем да пишем с молив. :)

И ето че НАЙ-НАКРАЯ стигам до темата на тази статия.

Фулерените. Четвъртата алотропна форма. Най-зрелищните от всички показани дотук представители на въглерода.



Малките футболни топчици (или бъкиболс както ги наричат някои хора) са открити през 1985 година от един научен екип, натоварил се с нелеката задача да разчете абсорбционните спектри на звездния прах, в търсене на различни дълговерижни въглеродсъдържащи съединения. Благодарение на това си откритие, трима души от този екип – Смоли, Кърл и Крото - се сдобиват 11 години по-късно с Нобеловата награда по химия. Имената “фулерени” и “бъкиболс”, с които започват да наричат интересните образувания не са случайно подбрани. Те са кръстени на американския архитект Ричард Бъкминстър Фулер, познат на света с куполообразните си структури, изградени от шестоъгълници и петоъгълници. Досущ като фулерените. За съжаление, мистър Фулер си отива от този свят през 1983 година и така и не успява да види малките си адаши.

Всъщност, това което прилича на футболна топка е най-нисшия представител на фулерените – т.нар С60 (вж. Картинката по-горе) . Тук може би е мястото да кажа две-три думи за фулереновата номенклатура, която е изумителен пример за това как от нещо ужасно сложно можем да направим друго - доста по-просто. Ето как би звучало заглавието на този фулерен, ако се използва номенклатурата на IUPAC:

Hentriacontacyclo[29.29.0.0.2,14.03,12. 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]hexaconta-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-triacontaene[14]

Е, С60 изглежда доста по-добре, нали? Цифрата оказва броят въглеродни атоми, които съставят структурата. В случай, че във вътрешността на молекулата е внедрен някакъв хетероатом това се отбелязва със символа @ - Х@С60. И т.н, и т.н. Понастоящем, специално за нуждите на фулереновата химия са създадени цял куп правила за наименоване, но ние няма да се задълбочаваме в тях :)

Фулерените са интересни и от математическа гледна точка, тъй като представляват сложни полиедри и като такива се подчиняват на някои математически закономерности. Например теоремата на Ойлер. Според нея, прост полиедър, изграден изцяло от шестоъгълници и петоъгълници, трябва да има точно 12 петоъгълника, за да може да се оформи затворена структура. (Доказателство може да се намери на този сайт: http://www.fkf.mpg.de/andersen/fullerene/euler.html#top ) Изхождайки от тази теорема, математиката стига до извода, че най-малкият възможен фулерен би бил изграден от 20 въглеродни атома. Е, химията и физиката мислят малко по-различно. За да имаме стабилна фулеренова молекула, не трябва да има два петоъгълника в контакт един с друг (правило на изолирания петоъгълник). Иначе това би довело до напрежение в скелета на молекулата и оттам – до дестабилизацията на структурата. При това положение, най-малкият стабилен при обикновени условия фулерен се оказва не кой да е, а нашия любим бъкибол - С60. Диаметърът му е 7 ангстрьома, т.е той е около 4,5 пъти по-голям от водородната молекула. Освен 12-те петоъгълника, той има и 20 шестоъгълника. Хибридното състояние на въглеродните атоми в него е между sp2 и sp3. Затова въпреки наглед ароматната структура, той се явява по-реактивоспособен от ароматните въглеводороди.

По-висшите представители се отдалечават постепенно от сферичната форма и започват да приличат на елипсоиди. Възможни са и по-сложни и деформирани структури.



Виртуално можем да разглеждаме фулерените като образувани при огъването на една графенова плоскост. Е, част от шестоъгълниците в нея трябва да се заменят с петоъгълници, иначе няма да се получи затворена структура. Може при добро желание да си принтирате долната картинка, да я изрежете по контура и да пробвате да направите футболна топчица от нея. Не е толкова трудно ;)

Въпреки сложната наглед структура, фулерените се получават лесно. Просто пуснете една волтова дъга между два графитови електрода в хелиева атмосфера и се радвайте на резултата. Методът има редица лоши страни – например, при него се получават най-различни по големина фулерени и се налага разделянето на сместа по компоненти и последващото им очистване посредством различни химични и физични трикове. За това спомага способността на фулерените да се разтварят в неполярни и слабо полярни органични разтворители – бензен, хлороформ, толуен, ксилен, дихлоробензен и др. Към разтворителите може да се добави и серовъглерода. Разтворите им са различно оцветени, в зависимост от броя на вълеродните атоми в скелета на фулерена. С60, например, дава розово-лилави толуенови разтвори, С70 – керемидено-червени, С86 – маслинено-зелени и т.н. На въздух са стабилни. При определени условия те полимеризират – получават се множество симпатично-навързани топчици.

С60 образуват твърди кристали (фулерити) със слаби междумолекулни взаимодействия и интересни свойства. При обикновени условия тези кристали се отнасят като изолатори. Над 13oС, топчиците изграждащи кристала се въртят с голяма скорост и приличат на гладки сфери. С постепенното понижаване на температурата въртенето намялява и молекулите започват да застиват в определени положения и накрая напълно спират да се движат при около -183oС. Ако към фулерита, който е електроотрицателен се добавят атоми на някой от алкалните метали К или Rb, при определени условия се получават фулеридите K3C60 и Rb3C60, които проявяват свръхпроводимост при 18-20К.

Някои от другите алкални фулериди на бъкибола действат като свръхпроводници дори при 40К (-233oС), което всъщност си е значителна температура за това явление.

Възможно е и включването на метални атоми във вътрешността на отделните молекули, при което се получават ендофулерените М@С60 (за разлика от фулеридите, където "чуждите агенти" се поместват между молекулите, когато те са оформили кристал.).

Могат да се въведат максимум 4 метални атома или йона. При това в ендофулерените, в твърда фаза, възниква проводимост.

Поява на електропроводящи свойства се наблюдават и при заместването на въглеродни атоми от молекулата на фулерена с борни. Тъй като средното разстояние между въглеродните атоми е 1,44 ангстрьома, единствено борният атом би могъл да се "вмъкне" в тази структура.

Тъй. От това, което написах, човек би решил, че фулерените ги бива само за проводници, при това само ако са поставени в някакви изчанчени условия. За съжаление, практическото приложение на тези съединения засега е доста ограничено. Според някои източници те биха могли да се използват като смазки, но това се оказва икономически неизгодно. Имат известна потенциална употреба в медицината и фармакологията. Поради затворената си структура, те биха могли да пренасят сложените в тях лекарствени препарати до необходимото място. А ако в тях се постави някакъв радиоактивен атом, чрез движението им по кръвоносните съдове може да се изследва кръвния поток. Бъкиболс са показали още способността при определени условия да блокират атаката на HIV върху здравите клетки. Въпросът е доколко този процес може да се контролира. Биха могли да се използват и в слънчевите батерии. Но сега-засега нещата стоят на ниво хипотези. Остава надеждата, че завбъдеще пречките, възпрепятстващи практическото приложение на фулерените ще бъдат преодоляни и те ще заемат значимо място в бита на хората.

С известни уговорки към фулерените може да се причислят и откритите през 1991 година нанотръби.



Те също могат да се образуват виртуално при увиването на графенова плоскост, този път до оформянето на цилиндър, изграден изцяло от шестоъгълници.



При това са възможни два гранични случая, при които се получават съответно два различни края на тръбата – зиг-заг и кресло.



Колкото и малка да изглежда разликата между двата типа тръби, се оказва, че понякога свойствата им са коренно различни. Например, всички тръби от тип кресло са с графитена проводимост. Тръбите тип зиг-заг, обаче са проводници, само ако са изпълнени някои специални изисквания.

Нанотръбите се получават аналогично на фулерените – във волтова дъга между графитени електроди. Получените по този начин тръби са “затапени” от двата края, като в капачетата им има и петоъгълници, за да може да се получи затворената структура. Всъщност тръбите могат да са най-различни – едностенни и многостенни (изградени от множество тръби, пъхнати една в друга), прави и огънати, деформирани, разклонени. Могат да се стесняват или разширяват – тогава между шестоъгълниците се вмъкват съответно седмоъгълници и петоъгълници.

За тръбите важат голяма част от нещата, известни за фулерените – и в тях могат да се “натъпчат” атоми или йони, и техните въглеродни атоми могат да се заместват с други, примерно борни и азотни и т.н. Практическото им приложение може да се търси при израбортването на композитни материали с голяма здравина и издържливост. Големи надежди се възлагат на възможността водородни или литиеви атоми и йони да бъдат внедрени обратимо в кухините на тръбите. Такива материали могат да се използват като т.нар “energy storage”, или в литиево-йонните батерии. Работи се и по проекти, според които нанотръбите биха могли да намерят приложение и в микро- и молекулярната електроника (като молекулни транзистори, switch-ове и др.).



И ето че движейки се напред във времето стигаме и до...23.03.2004 година! Това е денят, в който от една публикация в Nature светът научи за съществуването и на петата алотропна форма на въглерода – магнитната нанопяна.

Тя се състои от множество омрежени нанотръби, които заедно формират структура с извънредно любопитно поведение, изразяващо се в появата на магнитни свойства, които след известно време изчезват. Механизмът на това явление все още е неизвестен. Родното място на новата субстанция е Австралийския национален университет в Канбера, където тя е била получена след бомбардиране на графитена мишена с лазер, излъчващ десет хиляди импулса в секунда. Въпреки че е доста рано да се говори за практическо приложение, вече има някои идеи за използването на нанопяната в медицината. Ето и пример: след инжектиране в кръвта, ние можем да я “заведем” до желано от нас място, някой тумор примерно, изполвайки магнитните й свойства. След това облъчваме мястото с инфрачервено лъчение. Магнитната нанопяна го поглъща и се загрява, при което “изпича” тумора, без да навреди на околната тъкан, поради лошите си топлопроводящи свойства. Би било страхотно, ако тази идея стане реалност!

Епилог

Ами, това е. Надявам се, че ви е било интересно. А догодина, когато открият шеста алотропна форма - ще пиша пак :) Какво? Нямало да открият ли? Как така няма? Живеем във времена, в които всичко е възможно. Така че...Чакаме и се притесняваме!

---

Използвани са материали от следните сайтове:
http://www.fkf.mpg.de/andersen/fullerene/intro.html
http://members.tripod.com/~modularity/ful.htm - Сайт предимно за математици. Много добра разработка на тема геометрията на фулерените.
http://www.mindspring.com/~kimall/Fuller/c60.html
http://students.chem.tue.nl/ifp03/introduction.html

---
За коментари: http://www.sivosten.com/forum/viewtopic.php?t=1713






Допадна ли ви този материал? (30) (0) 21404 прочит(а)

 Добави коментар 
Ако сте регистрирани във форума можете да коментирате и тук

Име:
Текст:
Код:        

 Покажи/скрий коментарите (263) 



AdSense
Нови Кратки @ Сивостен


Реклама


Подобни статии

Случаен избор


Сивостен, v.5.3.0b
© Сивостен, 2003-2011, Всички права запазени
Препечатването на материали е нежелателно. Ако имате интерес към някои от материалите,
собственост на сп. "Сивостен" и неговите автори, моля, свържете се с редакционната колегия.