Это существование, по крайней мере, двух форм одного и того же элемента в твердом кристаллическом состоянии, которые отличаются пространственным

Карельский Государственный Педагогический Университет Аллотропия углерода Выполнила: Аникеева Е. 554 гр. (2007 г.) Аллотропия - это существование, по крайней мере, двух форм одного и того же элемента в твердом кристаллическом состоянии, которые отличаются пространственным расположением атомов. Как индивидуальный химический элемент углерод был признан Лавуазье в конце XVIII в. и получил свое название (Carboneum) от латинского слова carbo - уголь. Ни один элемент Периодической системы Менделеева не обладает тем разнообразием свойств, иногда прямо противоположных, которое присуще углероду. Это эталон прозрачности и “абсолютно” черное тело; диа- и парамагнетик; диэлектрик и металл; полупроводник и полуметалл; сверхтвердый и сверхмягкий материал; теплоизолятор и один из лучших проводников тепла. Столь уникальные свойства - причина того, что и чистый углерод, и содержащие его материалы служат объектами фундаментальных исследований и применяются в бесчисленных технических процессах. До начала 60-х годов считалось, что в природе существуют только две кристаллические формы чистого углерода, а именно трех- и двумерные полимеры, т.е. алмаз и графит. Многие исследователи выражали недоумение и считали несколько нелогичным, что существование элемента с самой богатой химией из всей Периодической системы ограничивается лишь двумя аллотропными модификациями. Явно не хватало линейной формы. Одномерный (цепочечный) полимер оставался недостающим звеном в аллотропии углерода вплоть до 1960 г., когда в Институте элементоорганических соединений А.М.Сладковым с сотрудниками был открыт карбин - полииновая, или полиацетиленовая (-СС-)n, и кумуленовая (=C=С=)n формы линейного углерода. В 1985 г. было открыто большое семейство сферообразных углеродных молекул – фуллеренов. Во всем мире это дало новый и очень сильный толчок исследованиям в области углерода и его аллотропных форм, а авторам открытия через 11 лет - в 1996 г. - принесло Нобелевскую премию по химии. Впоследствии семейство фуллеренов выделили в независимую, часто называемую третьей, аллотропную форму углерода. Известно, что атомы углерода могут существовать в трех основных состояниях, соответствующих sp3-, sp2- и sp-гибридизации их валентных орбиталей. Sp-гибридизация: s- орбиталь, обладающая шаровой симметрией, и гантелеобразная р- орбиталь преобразуются и смешиваются (гибридизируются), давая две равноценные sp- орбитали, направленные друг к другу под углом 180°; sp2- гибридизация: одна s- орбиталь, обладающая шаровой симметрией, и две гантелеобразных р- орбитали смешиваются (гибридизируются), давая три равноценных sp2- орбитали, лежащие в одной плоскости, угол между которыми равен 120°; sp3- гибридизация: одна s- орбиталь, обладающая шаровой симметрией, и три гантелеобразных р- орбитали смешиваются (гибридизируются), давая четыре равноценных sp3- орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Угол между орбиталями равен 109,5°. Каждое валентное состояние характеризует определенную и единственную аллотропную форму (рис. 1): sp3-тип гибридизации свойствен пространственному (трехмерному) полимеру углерода - алмазу; sp2-тип - плоскостному (двумерному) графиту; sp-тип - линейно-цепочечному (одномерному) карбину. Рис. 1. Схематическое изображение трех основных аллотропных форм углерода. Помимо рассмотренных уже трех аллотропных модификаций, существуют и другие формы элементарного углерода. Они составляют множество так называемых переходных форм. Их в свою очередь можно разделить на две большие группы - смешанные и промежуточные формы. В первую группу следует включить “аморфный”, алмазоподобный и стеклообразный углерод, а также сажу, кокс и подобные им материалы. Такие формы со смешанным ближним порядком состоят из более или менее случайно организованных атомов углерода различной гибридизации. К этой же группе могут быть отнесены также многочисленные гипотетические структуры (рис. 2): графины, некоторые полициклические модификации в виде трехмерных углеродных сеток, “металлический углерод” и сходные с ними структуры на основе алленовых (=C=C=) или диацетиленовых (–CBC–CBC–) фрагментов, которые расположены между ортогональными полиеновыми или полидиацетиленовыми цепочками. “Супералмаз” и слоисто-цепочечный углерод (т.е. гибридные карбино-алмазные структуры, в сущности представляющие собой частный случай одномерного “супералмаза”) тоже относятся к смешанным формам углерода. Методологические основы синтеза таких форм подробно рассмотрены в исчерпывающих обзорах Ф.Дидериха и И.Рубина. Рис. 2. Смешанные гипотетические формы: плоскостной “графин”; трехмерная сетка “металлического углерода”; “супералмаз” и карбино-алмазный гибрид (слоисто-цепочечный углерод). Вторая группа объединяет промежуточные формы углерода (рис. 3). Степень гибридизации углеродных атомов в них можно выразить как spn, где n не целое, а дробное число: 1 < n < 3, n  2. Эту группу в свою очередь можно разделить на две подгруппы. Первая из них включает углеродные моноциклы, в которых 1 < n < 2. Другую подгруппу составляют промежуточные формы с 2 < n < 3: различные замкнуто-каркасные структуры, такие как фуллерены  и углеродные нанотрубки, или тубулены. Рис. 3. Промежуточные формы углерода: углеродные моноциклы и замкнуто-каркасные структуры. Дробная степень гибридизации в промежуточных формах - следствие изогнутости и напряженности углеродного скелета. Например, в молекуле C60, наиболее детально изученного члена семейства фуллеренов, она равна 2.28. Приведенные здесь аллотропные формы углерода укладываются в созданную общую схему классификации. Она основана на типе гибридизации валентных орбиталей углерода. Эта диаграмма объединяет в себе основные аллотропные формы (существующие и предполагаемые).  Итак, рассмотрим различные модификации углерода подробнее. Графит: Г Рис.4 Графит рафит (от греч. — пишу) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые почти плоские, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях (0001). Свойства: Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1-2 по шкале Мооса). Плотность 2,08 — 2,23 г/см3. Цвет серый, блеск металлический. Неплавок, устойчив при нагревании в отсутствии воздуха. В кислотах не растворяется. Жирный на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. К Рис. 5 Структура графита ристаллическая структура графита: Структура графита представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Å, но при этом каждый атом углерода имеет три ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 Å) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита – эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита. Условия нахождения в природе: сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Искусственный синтез: получают нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C; из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °С в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000 °С при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт — пирографит). Применение: для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов; электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов); твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках; наполнитель пластмасс; замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином); для получения синтетических алмазов. Алмаз: Алмаз – минерал, одна из аллотропных форм углерода. Рис.6 Алмаз К Рис.7 Структура алмаза ристаллическая структура алмаза: В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру. Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С–С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ. На разрыв связи С–С (длина связи 1,54 Å) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550 0 C). Свойства: главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Последнее свойство, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом. Энергия кристалла составляет 1×105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат - менее 1% от энергии кристалла. Нахождение алмаза в природе: Октаэдрический кристалл алмаза. Сканирующий электронный микроскоп. Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. С Рис.8 Октаэдрический кристалл алмаза интетические алмазы: Считается, что первый синтетический алмаз получил Анри Муассан. В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах. Для синтеза используется несколько способов. Один из них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава. Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот. Современные способы получения алмазов используют газовую среду, состоящую из 95% водорода и 5% углесодержащего газа, пропана, ацетилена, а так же высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз. Температура газа от 700-850 градусов при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 микрон/час до 3 микрон/минута на подложке. Гидротермальный способ наращивания и роста алмазов использует смесь азотной, серной и уксусной кислот, а также графита при оптимальной температуре 50 градусов и атмосферном давлении. Формы огранки алмаза: рис.9 Рис.10 Алмаз «Леонид Васильев» весом 54,05 карат. Рис.11 Карбин: Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Свойства: представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение) либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-ч гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причем под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах. Строение карбина: Фуллерены: Фуллерен С60 Рис. 12 Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода. История открытия фуллеренов: В 1985 году группа исследователей – Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хит и О’Брайен – исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении твердого образца, и обнаружили пики, соответствующие 720 и 840 атомным единицам массы. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усеченного икосаэдра симметрии Ih , а С70 - более вытянутую эллипсоидальную форму симметрии D5h. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространенная молекула С60 - бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов. Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана еще в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в России. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевска премия по химии. В 1992 фуллерены якобы обнаружили в породах докембрийского периода, однако впоследствии эта информация не подтвердилась и единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент (Апрель 2007) является их искусственный синтез. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь найти условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали. Структурные свойства фуллеренов: Из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть сформирована замкнутая  поверхность. Для этого необходимо  часть  шестиугольных колец разрезать  и из разрезанных частей сформировать пятиугольники. В  фуллерене   плоская   сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 0,357 нм.  Длина связи С—С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм.  Молекулы высших фуллеренов С70 С74, С76, С84 , С164, С192, С216, также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с n < 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20. Кристаллический фуллерен, который был назван фуллеритом, имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Параметр кубической решетки а0 = 1.42 нм, расстояние между ближайшими соседями – 1 нм. Число ближайших соседей в ГЦК решетке фуллерита –12. С

Похожие:

	Кэрол Бак «Несгораемая страсть» Ральф Рэндалл по прозвищу Шкаф был из тех людей, которые верят в существование рая. А с адом, по крайней мере, с земным его вариантом,...		Пособие по тому, как работать в aiesec и хорошо учиться Вуз, жениться (выйти замуж), найти хорошую работу, сделать 2х детей и на этом успокоиться, считая, что жизнь прошла не зря. Aiesec’еры...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Человек- высшее творение природы. Но для того, чтобы сполна наслаждаться её сокровищами, он должен отвечать, по крайней мере, одному...		Особенности патентной документации, как источника информации Кроме того, большая часть технических решений, опубликованных в патентных документах, не находит отражения в других источниках информации,...
	As we all know it’s not an easy journey. As we all know it will never... Или мне это показалось. Хлопал он точно не меньше остальных. Может, и не полный восторг был на лице, но это всегда объяснялось просто:...		Урок 37 Тема: Фосфор Охарактеризовать фосфор в свете трёх форм существования химического элемента: в форме атомов, простых веществ, а, следовательно,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Формировать представления о сходстве и различии разных форм одного и того же слова и однокоренных слов		Отсебятина я считаю урок очень сложный, по крайней мере для меня.... Отсебятина. (я считаю урок очень сложный, по крайней мере для меня. Но надеюсь, кому-нибудь пригодится. Попыталась его перевести,...
	Военно-патриотическое воспитание в школе Понятие патриотизм по утверждению современной социально-демографической науки имеет по крайней мере четыре уровня бытия		Однокоренные слова и формы слова Цель: формирование умения отличать родственные слова от форм одного и того же слова
	Реферат по философии на тему «Философские проблемы фантастики» Но к этой негативной причине прибавляется позитивная. Человек стремится… создать в себе простую и ясную картину мира; и это не только...		«Статистический анализ антропогенного воздействия на водные экосистемы» Поэтому каждый случай загрязнения воды должен тщательно изучаться, чтобы, по крайней мере, минимизировать его последствия
	Рабочая программа курса химия элемента и досуг 8 класс Разработала:... Предусмотренные данной программой занятия могут проводиться в смешанных группах, состоящих из учащихся разных возрастных групп или...		Массив это набор элементов данных одного и того же типа, занимающих... Массив – это набор элементов данных одного и того же типа, занимающих последовательные единицы памяти в некотором отрезке памяти....