Carbon. Allotropic modifications

                        Carbon. Allotropic modifications

                                Talgatova Aisulu Dauletovna

              Zhetysu University named after I. Zhansugurov

                                     Email: td.ai@mail.ru

Position in the periodic table

Carbon Carbogenium is the 6th element in the periodic table. It is located in the main subgroup of the fourth group, the second period. Carbon is a typical non-metal.

Being in nature

More than a million compounds of carbon with other elements are currently known. Their study makes up a whole science - organic chemistry. At the same time, scientists began to study the properties of pure carbon relatively recently - about 20 years ago.

Carbon is the 17th most abundant in the earth's crust - 0.048%. But, despite this, he plays a huge role in living and inanimate nature.

Carbon is part of organic matter in plant and living organisms, in the composition of DNA. Contained in muscle tissue - 67%, bone tissue - 36% and human blood (in a human body weighing 70 kg, on average, it contains 16 kg of bound carbon).

Free carbon

Free carbon is found in several allotropic modifications - diamond, graphite, carbyne, and very rarely fullerenes. Many other modifications were also synthesized in laboratories: new fullerenes, nanotubes, nanoparticles, etc.

Diamond is a colorless, transparent substance that strongly refracts light. Diamond is harder than all substances found in nature, but it is quite fragile. It is so hard that it will scratch most materials.

The density of diamond is 3.5 g / cm3, tmelt = 3730C, tboil = 4830oC. Diamond can be obtained from graphite at p> 50 thousand atm. and tо = 1200оC In diamond, each 4-valence carbon atom is bonded to another carbon atom by a covalent bond, and the number of such atoms bonded into the framework is extremely large.

A continuous three-dimensional network of covalent bonds, which is characterized by high strength, determines many properties of diamond, such as poor thermal and electrical conductivity, as well as chemical inertness. Diamonds are very rare and valuable, their weight is measured in carats (1 carat = 200mg). A cut diamond is called a diamond.

Graphite

Graphite is an allotropic modification of carbon that is stable under normal conditions, has a gray-black color and a metallic sheen, seems greasy to the touch, is very soft and leaves black marks on paper.

The carbon atoms in graphite are arranged in separate layers formed from flat hexagons. Each carbon atom on a plane is surrounded by three neighboring atoms arranged around it in the form of a regular triangle.

Graphite is less dense and less hard, and graphite can be split into thin flakes. The scales easily stick to paper, which is why pencil leads are made from graphite. Within the hexagons, there is a tendency towards metallization, which explains the good thermal and electrical conductivity of graphite, as well as its metallic luster.

Fullerenes

Fullerenes are a class of chemical compounds whose molecules consist only of carbon, the number of atoms of which is even, from 32 to more than 500, they are convex polyhedrons in structure, built of regular pentagons and hexagons.

The origin of the term "fullerene" is associated with the name of the American architect Richard Buckminster Fuller, who designed hemispherical architectural structures consisting of hexagons and pentagons.

In the early 70s, organic physicist E. Osawa suggested the existence of a hollow, highly symmetric molecule C60, with a structure in the form of a truncated icosahedron, similar to a soccer ball. A little later (1973) Russian scientists D.A. Bochvar and E.G. Halperin made the first theoretical quantum-chemical calculations of such a molecule and proved its stability.

The first method for obtaining and separating solid crystalline fullerene was proposed in 1990 by V. Kretschmer and D. Huffman with colleagues at the Institute of Nuclear Physics in Heidelberg (Germany).

In contrast to the first two, graphite and diamond, whose structure is a periodic lattice of atoms, the third form of pure carbon is molecular. This means that the minimum element of its structure is not an atom, but a carbon molecule, which is a closed surface that has the shape of a sphere.

In fullerene, a flat grid of hexagons (graphite grid) is folded and sewn into a closed sphere. In this case, some of the hexagons are transformed into pentagons. A structure is formed - a truncated icosahedron. Each vertex of this shape has three nearest neighbors. Each hexagon is bordered by three hexagons and three pentagons, and each pentagon is bordered only by hexagons.

Fullerenes with n <60 turned out to be unstable, although from purely topological considerations the smallest possible fullerene is the regular C20 dodecahedron.

Fullerene molecules, in which carbon atoms are bonded to each other by both single and double bonds, are three-dimensional analogs of aromatic structures. Possessing high electronegativity, they act as strong oxidants in chemical reactions. By attaching radicals of various chemical nature, fullerenes are able to form a wide class of chemical soybeans.

 «Углерод. Аллотропные модификации»

Положение в таблице Менделеева

Углерод Carbogenium – 6-ой элемент в таблице Менделеева. Он располагается в главной подгруппе четвертой группы, втором периоде. Углерод-типичный неметалл.

Нахождение в природе

В настоящее время известно более миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучение составляет целую науку – органическую химию. В тоже время за изучение свойств чистого углерода ученые взялись сравнительно недавно - около 20 лет назад.

Углерод занимает 17-е место по распространенности в земной коре – 0,048%. Но, несмотря на это, он играет огромную роль в живой и неживой природе.

Углерод входит в состав органических веществ в растительных и живых организмах, в состав ДНК. Содержится в мышечной ткани – 67%, костной ткани – 36% и крови человека (в человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного углерода).

Свободный углерод

В свободном виде углерод встречается в нескольких аллотропных модификациях – алмаз, графит, карбин, крайне редко фуллерены. В лабораториях также были синтезированы многие другие модификации: новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.

Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок. Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов.

Плотность алмаза – 3,5 г/см3, tплав=3730С, tкип=4830оС. Алмаз можно получить из графита при p > 50 тыс. атм. и tо = 1200оC В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико.

Непрерывная трехмерная сетка ковалентных связей, которая характеризуется большой прочностью, определяет многие свойства алмаза, так то плохая тепло- и электропроводимость, а также химическая инертность. Алмазы очень редки и ценны, их вес измеряется в каратах (1 карат=200мг). Ограненный алмаз называют бриллиантом.

Графит

Графит – устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, 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.

Фуллерены

Фуллерены – класс химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, число атомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников.

Происхождение термина "фуллерен" связано с именем американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие из шестиугольников и пятиугольников.

В начале 70-х годов физхимик–органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулыС60, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

Первый способ получения и выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В. Кречмером и Д. Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия).

В противоположность первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, которая имеет форму сферы.

В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками.

Фуллерены с n<60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20.

Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.

Заключение

Хотя фуллерены имеют короткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себе все новых исследователей. Она включает три направления: физика фуллеренов, химия фуллеренов и технология фуллеренов.

Физика фуллеренов занимается исследованием структурных, механических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений. Сюда относится также изучение характера взаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, свойства и структура систем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболее продвинутой ветвью в области фуллеренов.

Химия фуллеренов связана с созданием и изучением новых химических соединений, основу которых составляютфуллерены, а также изучает химические процессы, в которых они участвуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования это направление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.

Технология фуллеренов включает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные их приложения.