Аллотропные модификации углерода, их строение и использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Аллотропные модификации углерода, их строение и использование

1. Общие сведения, аллотропия углерода

Углерод (лат. carboneuia) известен с глубокой древности. В земной коре его содержится примерно 0,35% по массе. В природе углерод встречается в свободном и связанном состоянии, главным образом в виде карбонатов (мел, известняк, мрамор), в каменных и бурых углях, торфе. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организмов человека и животных. Его соединения составляют основу живой природы - флоры и фауны.

Aтом углерода имеет 6 электронов, 2 на внутреннем слое (1s2), а 4 (2s22р2) - на внешнем. С наиболее активными металлами углерод проявляет степень окисления -4. Углерод способен соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей.

В отличие от кислорода и азота углерод при обычных условиях не образует молекул, у него атомная кристаллическая решетка. Существуют четыре aллoтрoпных мoдификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол (фуллерен).

1) Алмаз - кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, с = 3,5 г/см3;Т°пл. = 3730 °C;Т°кип = 4830 °C. В структуре алмаза каждый атом углерода находится в состоянии sp3-гибридизации и имеет четырех соседей, которые расположен в вершинах правильного тетраэдра, весь кристалл представляет собой трехмерный каркас, с этим связана высокая твердость алмаза, самая высокая среди природных веществ. Кристаллизуется в виде двух полиморфных модификаций - кубичeской и гeксальной.

2)Графит - устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углeрoда, имеет серо-черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные следы на бумаге. Атомы углерода в графите расположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждый атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него в виде правильного треугольника. 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.

3)Карбин -- линейный пoлимер углерода. В мoлекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо пoстоянно двoйными связями (поликумуленовое строение). На основании результатов дальнейших исследований структуры кристаллического карбина была предложена модель его элементарной ячейки. Согласно этой модели элементарная ячейка карбина составлена параллельными цепочками углерода, имеющими зигзаги, благoдаря которым ячейка оказывается двуслойной. Толщину одного слоя составляет цепочка из шести атомов углерода. В нижнем слое цепочки плoтно упакованы и расположены в центре и по угламгексагона, тогда как в верхнем слoе центральная цепочка отсутствует, а в образовавшейся вакансии могут располагаться атомы примеси. Вoзможно, что они являются катализаторами кристаллизации карбина. Такая модель дает ключ к раскрытию феномена карбина и oбъясняет, в какой конфигурации может стабилизироваться в общем случае неустойчивая совокупность линейных цепочек углерода.

4)Букибол (фуллерен) - получен в 1985г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода. молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. В молекулах букибола атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства букибола --букибол (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэндр , состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода букибола С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С -- он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей сторoной для двух шестиугольников, сoставляет 1.39 Е, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Е. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго -- одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.

2. Применение

1)Огранённый алмаз (бриллиант)

уже многие десятилетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей. В значительной степени такое устойчивое положение алмаза обусловлено высокой монополизацией этoго рынка. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 % мировой добычи, разрабатывает месторoждения Ботсвaны, ЮАР, Намибии и Таназии. Подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов.

Исключительная твердость алмаза находит своё применение в промышленности: его испoльзуют для изготoвления ножей, свёрл, резцов и тому подoбных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.

Также применяются в квантовых кoмпьютерах, в часовой и ядерной промышленности.

Крaйне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть гoтовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью. Тaкже перспективно использование алмаза, как активного элемента микроэлeктроники, осoбенно в сильнoточной и высоковольтной электронике из-за большой величины пробивного напряжения и высокой теплопроводности. При изготовлении полупроводниковых приборов на основе алмаза используются, как правило, допированые плёнки алмаза. Так, допированный бором алмаз имеет p-тип проводимости, фосфором -- n-тип. Из-за большой ширины зоны алмазные светодиоды работают в ультрафиолетовой области спектра.

В 2004 году в ИФВД РАН впервые синтезировали алмаз, имеющий сверхпроводящий переход при температуре 2-5 К (зависит от степени легирования).

Полученный алмаз представлял собой сильнолегированный бромполикристаллический образец, позже в Японии получили алмазные плёнки, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах 4-12К. Пока сверхпроводимость алмаза представляют интерес лишь с научной точки зрения.

2) Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

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). А также для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

Хорошая электропроводность, и как следствие -- его пригодность для изготовления электрода

Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде -- это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

Возможности использования графита безумно разнообразны, он используется как: наполнитель пластмасс, замедлитель нейтронов в ядерных реакторов, компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином),для получения синтетических алмазов, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.

3) Группа ученых из Университета Райса (Хьюстон, США) опубликовала результаты работы, посвященной изучению свойств карбина, представляющего собой цепочки из атомов углерода. Связи между её звеньями могут быть либо двойными, либо чередующимися (тройными и одинарными). Карбин представляет особый интерес для химиков и нанотехнологов, поскольку он наиболее прочный и жесткий из всех известных материалов.

Шестой элемент таблицы Менделеева, углерод, подарил миру множество необычных материалов. Помимо известных со школьной скамьи углерода, графита и алмаза, ученые добавили в эту коллекцию фуллерены, углеродные нанотрубки и множество экзотических модификаций, «сложенных» из листов графена.

Теоретически существование цепочечной формы углерода было предсказано еще в конце 19 века. Астрономы обнаружили признаки присутствия карбина в межзвездной пыли и веществе метеоритов. Карбин может образовываться естественным путем и при ударном сжатии графита. В лабораторных условиях достаточно длинные углеродные цепочки (до 44 атомов) удалось синтезировать лишь пару лет назад. Ученые также смогли получить и стабилизировать карбин при комнатной температуре.

Вокруг карбина было воздвигнуто множество предположений. Например, считалось, что при взаимодействии двух нитей карбина пройдет взрывная реакция их слияния. Ученые единогласно утверждали, что карбин - очень прочный и жесткий, но насколько? Экспериментальной проверкой теорий и численным измерением характеристик карбина исследователи занялись только сейчас.

Карбин действительно оказался «самым-самым». Его удельная жесткость (около 109 Н·м/кг) вдвое превосходит удельную жесткость графена (0,45·109 Н·м/кг), а удельная прочность (6,0·107 - 7,5·107 Н•м/кг) также оставляет позади все известные материалы, включая графен (4,7·107 - 5,5 ·107 Н•м/кг), углеродные нанотрубки (4,3·107 - 5,0·107 Н•м/кг) и алмаз (2,5·107 - 6,5·107 Н•м/кг). Для того чтобы разорвать цепочку карбина, надо приложить усилие порядка 10 нН.

Гибкость карбина (обычно находящуюся где-то между значениями этого показателя для большинства полимеров и цепочки ДНК) можно «отключать», присоединив к концу цепочки определенную химическую группу. В этом случае цепочка карбина превращается из «нитки» в «иголку».

Что же касается стабильности карбина, исследователи согласились, что «взрыв» при контакте двух углеродных цепочек действительно возможен, но для этого необходимо преодолеть некий активационный энергетический барьер. Благодаря этому барьеру цепочки карбина длиной около 14 нм могут оставаться стабильными при комнатной температуре примерно в течение суток.

4) Фуллерен используется в качестве материала для полупроводниковой техники Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.

Фуллерен как фоторезист: Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (?20 нм) при травлении кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки С60.

Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD: Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С2, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы -- использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения.

Другие области применения: Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ?30 %.

Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств[22][23].

Различные производные фуллеренов показали себя эффективными средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки -- ВИЧ-1-протеаза, -- имеет сферическую полость диаметром 10 ?, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена. Синтезировано производное фуллерена, которое растворимо в воде. Оно блокирует активный центр ВИЧ-протеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы.

Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.

Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

А на последок самое интересное: Предсказано существование новой модификации углерода

Опираясь на результаты расчётов из первых принципов, китайские исследователи составили описание нового кристаллического аллотропа углерода.

углерод аллотропный алмаз графит

Структура Т-углерода (иллюстрация Qing-Bo Yan).

Аллотропическими модификациями химического элемента называют образуемые им простые вещества, отличающиеся друг от друга по строению и свойствам. К числу наиболее известных аллотропов углерода относятся алмаз, графит, графен и фуллерены.

Новая модификация, которую авторы называют Т-углеродом, получается из кубического алмаза путём замены каждого его атома на тетраэдр из атомов C. Вычисления показывают, что плотность Т-углерода -- 1,5 г/см³ -- должна составлять лишь около 40% от плотности алмаза, а его твёрдость, сравнимая с показателями кубического нитрида бора, дойдёт до 65 процентов от твёрдости самого стойкого минерала. Т-углерод будет полупроводником с запрещённой зоной шириной примерно в 3 эВ и прямыми переходами.

По мнению физиков, такой аллотроп может найти применение в аэрокосмической промышленности. Можно также попытаться использовать его полупроводящие свойства или приспособить этот относительно лёгкий материал для хранения водорода.

Коллеги учёных, впрочем, сомневаются в том, что Т-углерод вообще будет получен и окажется стабильным. В отличие от других экзотических модификаций, которые создаются в условиях чрезвычайно высокого давления, Т-углерод требует давления ниже атмосферного.

Размещено на Allbest.ru