Размещено на http://www.allbest.ru

Керченская общеобразовательная школа I-III ступеней №5

Секция химии

Вещества будущего - фуллерены

Содержание:

• Введение
• 1. Истрия открытия
• 2. Структурные свойства фуллеренов
• 3. Получение
• 4. Применение фуллеренов
• 5. Шунгит
• Вывод
• Список литературы


Введение

История химии началась еще в глубокой древности. Металлы, стекло и первые строительные кирпичи - все эти материалы возникли в золе доисторических печей. Однако формирование химии, как науки началось лишь в конце XVIII в. До сих пор существуют разработанные в то время химические процессы, например дубление, пивоварение, выплавка железа. Тогда они выполнялись без глубокого понимания, но с большим совершенством, поистине казались чудом химического искусства. Все необходимое человеку - пища, одежда, лекарства, краски - изготавливали путем переработки почти исключительно растительного и животного сырья. Когда же возросший спрос не мог больше удовлетворяться этим сырьем, химики стали проводить свои эксперименты с другими исходными материалами, такими, как поваренная соль, известняк, уголь и каменноугольная смола. Но даже и тогда они все ещё не могли осознать почти безграничные возможности своей науки.

Долгое время усилия химиков были направлены исключительно на синтез природных веществ. Плоды предпринятых в этом направлении усилий теперь мы вполне можем оценить по достоинству: в наши дни синтезируются самые разнообразные продукты, начиная от аммиака и заканчивая гормонами. Однако, основные материалы, например стекло, железо, сталь, медь, цемент, керамика и натуральные волокна, были известны ещё древним грекам. С конца XIX в. этот перечень дополнился собственно целлюлозой, резиной и алюминием. Казалось, что химии суждено извечно двигаться в границах, очерченных природой. И только с появлением в первой половине XX в. синтетических веществ химикам удалось преодолеть этот «природный барьер». Теперь даже непосвященным ясно, что химия владеет производительными силами, которые позволят далеко превзойти природные образцы. По мере развития химии все больше возрастают возможности синтезирования самых сложных природных веществ. Но еще быстрее растет возможность создания принципиально новых веществ, для которых в природе нет никакого образца и подобия: веществ с пока ещё непредсказуемыми, необычными свойствами или с комбинации таких свойств. химический углеродный фуллерен графит

Основанный на анализе веществ синтез совершенно новых продуктов и материалов делает химию могущественной производительной силой. Потенциальные возможности химического превращения и изменения природных веществ в интересах человека поистине безграничны. Все возрастающим потоком текут в «реторты» химиков нефть, газ, уголь, минеральные соли, силикат, и руды, превращаясь в краски, лаки, мыла, удобрения, моторные топлива, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и исходное сырье для химических производств. Полученные в конце более или менее длинной цепи превращений готовые продукты порой имеют в тысячи раз большую ценность, чем исходное сырье.

Одним из таких веществ является фуллерен - полностью углеродное соединение, обладающее уникальными свойствами широкого спектра, получаемое из обычного графита.

1. Истрия открытия

Открытие фуллеренов - новой формы существования одного из самых распространенных элементов на Земле - углерода, признано одним из важнейших открытий в науке XX столетия. Ученым давно была известна удивительная способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии. Однако фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной.

В 1973 г. были опубликованы труды японского ученого Осавы и отечественных ученых Д.А. Бочвара и Е.Н. Гальперна, где согласно результатам квантово-химических расчетов, была описана теоретически существующая устойчивая форма углерода, содержащая в молекуле 60 углеродных атомов и не имеющая никаких заместителей. В той же статье была предложена форма такой гипотетической молекулы. Выводы этой работы казались в то время совершенно фантастическими. Никто не мог себе представить, что такая молекула может существовать, и тем более - как взяться за ее получение. Эта теоретическая работа несколько опередила свое время и была вначале попросту забыта.

В 1980-х гг. астрофизические исследования позволили установить, что в спектрах некоторых звезд, так называемых «красных гигантах», обнаружены полосы, указывающие на существование чисто углеродных молекул различного размера.

Экспериментальное подтверждение того, что молекулы типа С₆₀ и С₇₀ могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, произошло в 1985 году. Тогда же ученые Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хис и О'Брайен изучали масс-спектры паров графита, полученных под ударом лазерного пучка, и обнаружили, что в спектрах есть два сигнала, интенсивность которых намного выше, чем всех остальных. Сигналы соответствовали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов - С₆₀ и С₇₀. Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы и не более того, однако этого оказалось достаточно, чтобы фантазия ученых заработала. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Бочваром.

Новый этап наступил в 1990 г., когда был найден метод получения новых соединений в граммовых количествах, и описан метод выделения фуллеренов в чистом виде. Очень скоро после этого были определены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С₆₀ - наиболее легко образующегося соединения среди известных фуллеренов.

Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. В каталогах химических реактивов вещество С₆₀ имеет название бакминстерфуллерен, химики чаще называют его просто фуллереном. Есть и другое образное название - футболен, поскольку сходство с покрышкой футбольного мяча очевидно. Существует еще гибрид обоих названий - бакибол.

2. Структурные свойства фуллеренов

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов -- фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (рис. 1). Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР¹) изотопа ¹³С -- он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 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.

Следующим по распространённости является фуллерен C₇₀, отличающийся от фуллерена C₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C₆₀, в результате чего молекула C₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

3. Получение

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом, разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени, химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час). Впоследствии, фирме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С₂). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит ¹³С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита ¹²С. После экстракции фуллеренов было показано методом ЯМР, что атомы ¹²С и ¹³С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С₆₀ за последние 17 лет -- с 10000$ до 10-15$ за грамм, что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана -- Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Если учесть относительно высокую стоимость начального продукта -- графита, становится ясно, что этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которой, как уже говорилось выше, удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5$/грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок -- смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С₆₀ и С₇₀ и кристаллы С₆₀/С₇₀, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап -- удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150--250 ^oС в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).

4. Применение фуллеренов

5. Шунгит

Целебные свойства шунгита известны ещё с XVII века, однако лишь недавно ученые установили, что основным действующим веществом являются фуллерены.

Назван в честь посёлка Шуньга в Карелии, где находится его основное месторождение. Шунгит образовался из органических донных отложений -- сапропеля -- примерно 600 млн лет назад, а по некоторым источникам -- 2 млрд лет назад. Эти органические осадки, прикрываемые сверху все новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шел процесс метаморфизации.

В результате этого процесса образовался распыленный в минеральной матрице аморфный углерод в виде характерных именно для шунгита глобул.

В водорастворимой части шунгита содержится около 1% фуллеренов. Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и Мексике на месте падения метеоритов. Причины появления фуллеренов в шунгите не выяснены.

В шунгите углерод распределен в виде глобул размером от 100 до 500 Ангстрем. С поверхности обломков породы эти глобулы легко выходят в окружающую воду, обусловливая ее лечебные свойства. Фуллерен не токсичен и не подавляет здоровые клетки, помогая работать всем биологическим структурам организма. В воде целебные свойства фуллерена резко усиливаются. Созданные на основе фуллерена как мощного антиоксиданта с защитным жизнетворным началом препараты помогают лечить воспалительные, вирусные, аллергические заболевания, а также язвы, ожоги, астму, грипп, бесплодие и противодействуют развитию атеросклероза. Как антиоксиданты фуллерены в тысячи раз эффективнее, чем витамины С и Е. Фуллерены нормализуют нервные процессы, повышают работоспособность и устойчивость к стрессу, имеют выраженное противовоспалительное действие, снимают боли и повышают иммунитет, а так же нормализуют клеточный обмен веществ и повышают устойчивость клетки, включая ее генетический аппарат, к внешним воздействиям.

Шунгит как природный антиоксидант выводит из воды свободные радикалы, образующиеся при обработке воды хлором, являющиеся причиной многих заболеваний (сердечнососудистых, онкологических, атеросклероза и диабета), лучше, чем активированный уголь.

На основе электропроводных свойств шунгита созданы электропроводные строительные и радиоэкранирующие материалы. Шунгит существенно ослабляет влияние источника излучений частот сотовой связи на организм.

Помещения, экранированные шунгитовыми материалами, снижают уровень облучения человека искусственными и природными источниками и служат экраном от геопатогенных зон.

Шунгитовые комнаты (основанные на свойстве минерала отражать магнитные волны) построены в 1996 году в Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга и в новой школе Беслана в 2006 году. Сеансы в этих комнатах сокращают сроки излечения от разных болезней, алкоголизма, восстанавливают сон, гармонию с окружающим миром, а также психофизиологическое состояние человека после стрессов. Шунгитовые комнаты есть в Петрозаводске и Саратове.

Сфера использования шунгита расширяется в экологии (при очистке промышленных и бытовых стоков, водных бассейнов, воды от тяжелых металлов), в сельском хозяйстве (удобрения в агрономии, кормовая добавка, лекарства в ветеринарии); в металлургии и химической промышленности.

Фильтры для домашней воды изготовляются из шунгита и цеолита, наделяющих воду целебными свойствами. Шунгит очищает ее от органических, а цеолит от неорганических загрязнителей, насыщая воду микроэлементами.

Вывод

Вне всяких сомнений - за фуллеренами большое будущее. Широкий спектр применения данного вещества говорит о необходимости разработок в этом направлении. Важными являются все сферы применения фуллеренов - техника, электроника, создание новых материалов повышенной прочности, а особенно решение энергетического кризиса и медицина.

Список литературы:

1. Газета «Первое сентября» №31 (август, 1995 год)

2. Газета «Тайная докторина»

3. http://www.xenoid.ru/

4. http://ru.wikipedia.org/

5. http://nano.com.ua/

6. http://www.neftelib.ru

7. http://www.o8ode.ru/

Размещено на Allbest.ru