Фуллерен, его производство, свойства и применение.
Фуллерен – молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства.
Описание и структура фуллерена
Преимущества и свойства фуллерена
Применение фуллеренов С60 и С70
Другие формы углерода: графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.
Описание и структура фуллерена:
Фуллерен (англ. fullerene), бакибол, или букибол — молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Фуллерены названы таким образом по имени инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который разработал и построил пространственную конструкцию «геодезического купола», представляющую собой полусферу, собранную из тетраэдров. Данная конструкция принесла Фуллеру международное признание и известность. Сегодня по его разработкам разрабатываются и строятся купольные дома. Фуллерен по своей структуре и форме напоминает указанные конструкции Ричарда Бакминстера Фуллера.
Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства. В соединении с другими веществами они позволяют получить материалы с принципиально новыми свойствами.
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах 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 усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (как идеальная форма, крайне редко встречающаяся в природе).
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула фуллерена C60 является вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400 и более), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, где n = 74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Связь между вершинами, ребрами и гранями фуллерена может быть выражена математической формулой согласно теореме Эйлера для многогранников:
В – Р + Г = 2,
где В – число вершин выпуклого многогранника, Р – число его рёбер и Г – число граней.
Необходимым условием существования выпуклого многогранника согласно теореме Эйлера (и соответственно существования фуллерена с определенной структурой и формой) является наличие ровно 12 пятиугольных граней и В/2 – 10 граней.
Возможность существования фуллерена была предсказана японскими учеными в 1971 году, теоретически обоснование было сделано советскими учеными в 1973 году. Впервые фуллерен был синтезирован в 1985 г. в США.
Практически весь фуллерен получают искусственным путем. В природе он содержится в очень малых количествах. Он образуются при горении природного газа и разряде молнии, а также содержится в очень малых количествах в шунгитах, фульгуритах, метеоритах и донных отложениях, возраст которых достигает 65 миллионов лет.
Соединения фуллерена:
Фуллерен легко вступает в соединения с другими химическими элементами. В настоящее время на основе фуллеренов уже синтезировано более 3 тысяч новых и производных соединений.
Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными.
Преимущества и свойства фуллерена:
– материалы с применением фуллеренов обладают повышенной прочностью, износостойкостью, термо – и хемостабильностью и уменьшенной истираемостью,
– механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективной антифрикационной твердой смазки. На поверхностях контртел они образуют защитную фуллерено-полимерную плёнку толщиной десятки и сотни нанометров, которая защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, увеличивает термостабильность смазок до 400-500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел,
– фуллерены способны полимеризоваться и образовывать тонкие пленки,
– резкое снижение прозрачности раствора фуллеренов при превышении интенсивности оптического излучения некоторого критического значения за счет нелинейных оптических свойств,
– возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения,
– фуллерены имеют способность проявлять свойства антиоксиданта или окислителя. В качестве антиоксидантов они превосходят действие всех известных антиоксидантов в 100 – 1000 раз. Были проведены опыты на крысах, которых кормили фуллеренами в оливковом масле. При этом крысы жили вдвое дольше обычных, и, к тому же, демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсических факторов,
– является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников,
– фуллерены С60, выступая в качестве лиганда, взаимодействуют с щелочными и некоторыми другими металлами. При этом образуются комплексные соединения состава Ме3С60, обладающие свойствами сверхпроводников.
Свойства молекулы фуллерена*:
| Наименование показателя: | Значение: |
| Толщина сферической оболочки, нм | 0,1 |
| Радиус молекулы, нм | 0,357 |
| Длина связи С-С между атомами углерода, нм: | |
| – в пятиугольнике | 0,143 |
| – в шестиугольнике | 0,139 |
* применительно к фуллерену С60.
Получение фуллеренов:
Основными способами получения фуллеренов считаются:
– сжигание графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях,
– сжигания углеводородов в пламени.
Необходимо отметить, что особую сложность представляет не только само по себе получение фуллеренов (их выход в виде углеродной сажи крайне низкий), но и последующее выделение, очистка и разделение фуллеренов по классам из углеродной сажи.
Применение фуллеренов С60 и С70:
– антистатические, противоизносные и антифрикционные полимеры, пластмассы,
– сорбенты для пищевой промышленности и очистки воды,
– лекарства и фармацевтические препараты,
– геомодификаторы трения,
– косметика,
– в качестве добавки для получения синтетических алмазов методом высокого давления. Выход алмазов увеличивается на 30%,
– и многое другое.
использование синтез применение фуллерен
особенности на основе структура открытие получение кристаллическая решетка молекула строение формула физические свойства фуллерена
активированные доклад углеродные углерод фуллерен химия купить фуллерены с60 и нанотрубки презентация в медицине из бисера масла реферат фото кратко
гель крем вода с фуллеренами сообщение картинки отзывы
тип кристаллической решетки характеристика производные фуллерена история открытия методы получения 11 000