Кабинет химических редкостей — Часть 3

Органические соединения углерода преобладают среди десятков миллионов граждан царства химии. В этом элементе есть что-то уникальное, что заставляет его образовывать прямые и разветвленные цепочки и кольца как в плоскости, так и в пространстве. Благодаря этим способностям углерод строит скелеты молекул самой сложной формы. Богатство форм его соединений лежало в химической основе жизни. Элементарный углерод также образует многочисленные аллотропы с уникальными свойствами.

Уголь известен с древних времен — сначала как несгоревшие куски дерева, затем как минеральный минерал. Только в начале XNUMX века стало понятно, что это химический элемент.

Необычный элемент

Две его чистые формы — алмаз и графит — это вещества, свойства которых настолько диаметрально отличаются друг от друга, что даже сегодня трудно поверить, что они образованы атомами одного и того же элемента. Алмаз (греч. = непобедимый) — самый твердый из известных минералов, часто прозрачный, хороший электроизолятор. Графит (греч. = писать) — черный, мягкий, легко стирается и вдобавок неплохо проводит электричество. В двадцатом веке было доказано, что за такие разные свойства отвечает внутренняя структура, то есть способ соединения атомов. Кристалл алмаза образует трехмерную сеть, в которой каждый из атомов связан с четырьмя другими. Использование всех имеющихся электронов для связей обуславливает длительную прочность такой структуры и отсутствие электропроводности (1). В графите атомы углерода строят относительно слабо связанные плоскости, которые легко смещаются друг относительно друга (благодаря этому графит работает как смазка). Каждый из атомов использует только три из четырех доступных электронов для связи со своими соседями, поэтому существуют свободные носители заряда, что обеспечивает хорошую проводимость (2). Технический углерод, иногда описываемый как еще одна форма углерода, представляет собой аморфную форму углерода с примесью графита.

1. Фрагмент кристаллической решетки алмаза.

2. Фрагмент решетки графита

Редкость и высокая цена бриллиантов привели к тому, что способы их получения (не говоря уже о многочисленных подделках) искали давно. В ходе исследований было установлено, что алмазы образуются при температурах, значительно превышающих 1000°С, и при давлении, в несколько десятков тысяч раз превышающем атмосферное давление. Такие условия преобладают в верхней зоне мантии Земли и только очень редкое стечение обстоятельств способно поднять их с глубины в несколько сотен километров на поверхность. Из-за технических трудностей только во второй половине прошлого века были получены синтетические алмазы. Они не ценятся ювелирами, но идеально подходят для технических целей (резка твердых материалов, абразивные диски, сверла и наконечники сверл).

Многие языки различают углерод как химический элемент и встречающийся в природе углерод (ископаемое, древесину). Однако в польском языке мы определяем их одним и тем же именем, что является лишь вопросом специфики языка — например, у нас есть отдельные названия для элемента алюминия и технического металла, т. е. алюминия.

Углеродные слои, …

Графит, хотя и менее яркий по внешнему виду, чем алмаз, обладает потенциалом для создания новых разновидностей углерода. Конечно, все сразу подумают о технологическом хите последних лет, т.е. о графене (3). Одиночные одноатомные слои графита, из которых состоит новый материал, проявляют ценные свойства — хорошую тепло- и электропроводность, механическую прочность, значительно превышающую характеристики стали или кевлара, и интересные квантовые эффекты (в «Юном технике» графен подробно описан в выпуск 5/2014). Он используется в качестве материала, который может заменить кремний в производстве электронных компонентов, для производства гибких сенсорных экранов, аккумуляторов, фотогальванических элементов и в качестве конструкционного материала.

Первые образцы графена были получены простым снятием слоев графита с помощью клейкой ленты. Однако до сих пор не существует экономичного способа получения слоев с большей площадью поверхности (польские ученые являются мировыми лидерами в исследованиях методов получения графена), а высокая цена является существенным тормозом развития технологии. .

Оправдает ли графен ожидания? Возможности огромны, но как всегда «дьявол кроется в деталях», то есть в технологических сложностях. Тем более, что невзгоды с другими видами угля (о них далее в статье) требуют тщательного прогнозирования. В каждом новом материале человечество видит панацею от бед современного мира (необходимость поиска дешевых источников энергии, лекарств и строительных материалов) — и все же чаще успеха приходит разочарование. Однако без соответствующей дозы оптимизма даже начинать исследования не стоит. Первооткрывателям следует руководствоваться словами Эдисона, который на вопрос, не разочаровался ли он после нескольких тысяч неудачных попыток сконструировать лампочку, ответил: «Я не потерпел неудачу. Я только что обнаружил 10 неверные решения».

… клетки, …

Первые углеродные причуды были получены в 80-х годах. При облучении лазерными импульсами графитовой мишени образовался целый ряд соединений с необычной структурой, напоминающей клетки. Среди них преобладала система, состоящая из 60 атомов углерода. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что он похож на футбольный снаряд, состоящий из 20 пятиугольников и 32 правильных шестиугольников. Однако вместо «спортивного» названия ему дали «архитектурное» — buckminsterfulleren (по имени Ричарда Бакминстера Фуллера, американского строителя куполов). Обнаруженный позже, подобный C.₆₀ системы называются фуллеренами (4). Теперь мы знаем всю их семью. Они представляют собой сферические и эллипсоидальные образования, содержащие от 20 до примерно 1500 атомов углерода (всегда четное число).

4. Модели фуллеренов С60 и С70.

Фуллерены представляют собой твердые вещества черного цвета с металлическим блеском. Они проявляют свойства, подобные полупроводникам. К их поверхности могут присоединяться различные группы атомов, что позволяет использовать фуллерены в качестве катализаторов и переносчиков (например, лекарственных средств). Внутри фуллеренов заперты атомы других элементов (все это выглядит как яйцо с сюрпризом). Полученные макеты имеют оригинальные шаблоны, напоминающие адреса электронной почты, например. [электронная почта защищена]₆₀ (атом лантана внутри бакминстерфуллерена), и предпринимаются попытки использовать их в качестве магнитов (5). Смазочные свойства фуллеренов аналогичны графиту, и они также используются в этой роли.

Фуллерены можно рассматривать как фрагменты отдельных графитовых плоскостей, свернутых определенным образом. Удалось даже получить углеродные колбы, т.е. фуллерены меньших размеров, помещенные внутрь более крупных (и многослойных, что в свою очередь напоминает русскую матрешку).

Углеродные шарики достаточно легкодоступны (мировое производство составляет несколько тонн в год) и относительно недороги. Поэтому исследовательские лаборатории не жалуются на нехватку сырья. Однако следует признать, что фуллерены еще не стали причиной технологической революции. Но, может быть, ожидания от них были слишком далеко идущими?

5. Фуллереновое «яйцо с сюрпризом»

6. Фрагменты угольных трубок

…трубки и нитки.

Концы одного графитового слоя могут соединяться, образуя цилиндр, то есть нанотрубку (это от диаметра структуры; нанометр — это миллионная доля миллиметра). Концы свежеприготовленной углеродной трубки обычно закрыты полусферами, что делает их похожими на сильно вытянутый фуллерен. Тем не менее, открытие трубок не является проблемой, например, травлением кислотой (6). Методы получения нанотрубок аналогичны методам получения фуллеренов, т.е. нагрев графита до высоких температур (лазерные импульсы, электрическая дуга). Выпускались также многослойные трубы.

Углеродные трубки можно использовать в роли, аналогичной фуллеренам и графену: катализаторов (после активации поверхности или заполнения внутренностей — эдакие химические «сливочные трубки»), сырья для построения электронных и электрических систем (в зависимости от способа приготовления они становятся проводниками или полупроводниками) и конструкционными пластиками (они являются наиболее стойкими к растяжению и самыми жесткими материалами). Однако большинство приложений все еще находятся на стадии тестирования и исследований, а низкая эффективность производства остается существенным ограничением.

7. Карбин — карбоновые стержни

В течение многих лет в научной печати появлялись сообщения о синтезе другого типа углерода — на этот раз одномерного. Карбин, как он получил свое название, должен был представлять собой систему атомов углерода, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями (7):

или также смежные двойники:

Однако долговечность таких молекул невелика — двойные связи, а особенно тройные, реакционноспособны и даже следов кислорода в воздухе достаточно, чтобы разрушить систему. Согласно расчетам, карабины показывают большую механическую прочность и возможность запасать энергию (разрывая и воссоздавая некоторые связи, не разрывая всего предмета). В 2016 году удалось получить углеродную нить, замкнутую внутри нанотрубки, но снова препятствием на пути дальнейших исследований является следовая эффективность синтеза.

Углерод — очень интересный элемент, и потенциально неограниченные возможности соединения его атомов открывают интересные перспективы для материаловедения, т.е. технологии, от прогресса которой будет зависеть развитие цивилизации в XXI веке. В заключение для читателей, дочитавших статью до конца:

Самодельный способ получения фуллеренов!

8. Сетки для построения моделей фуллеренов…

К сожалению, не настоящие молекулы, а модели, позволяющие рассмотреть их молекулы со всех сторон. Все, что вам нужно, это лист бумаги, карандаш, ножницы и клей. Вот различные этапы процедуры:

1. Начертите на листе бумаги сеть шестиугольников по приложенным к статье эскизам (8). Так как? Проще всего воспользоваться графической программой (это может быть даже графический модуль текстового редактора) или известным из уроков математики школьным методом (деление длины окружности на ее радиус позволит нарисовать правильный шестиугольник, а потом просто вырежьте рисунок и используйте его как шаблон).
2. Разрежьте сетку модели и разрежьте ее по линиям, отмеченным красным. Шестигранники со знаком X также предназначены для резки.
3. Шестигранники, лежащие по обеим сторонам от линии разреза, наденьте друг на друга и приклейте (нужно немного отогнуть соседние части сетки). Это даст вам полый пятиугольник, окруженный шестиугольниками. Действуйте таким же образом с последующими фрагментами модели. Поскольку вы сгибаете куски всегда в одном и том же направлении, вы увидите, что они начинают формировать сферическую структуру. После приклеивания последнего куска можно увидеть фуллереновую модель. Сделайте все модели (другие сетки есть в интернете), чтобы сравнить молекулы друг с другом (9).

9.… и готовые бумажные модели