Аллотропные модификации углерода: фуллерены, графен, углеродные нанотрубки: строение, свойства, способы получения

курсовая работа

Введение

Атом углерода, будучи элементом четвертой группы главной подгруппы Периодической Системы, имеет в своем обычном состоянии два неспаренных валентных р-электрона на внешнем электронном уровне: 1s22s22p2. При переходе в возбужденное состояние один электрон с 2s-подуровня переходит на вакантную 2p-орбиталь, таким образом реализуется высшая валентность атома углерода, и образуется атом с четырьмя неспаренными электронами. Несмотря на то, что возбужденное состояние является менее энергетически выгодным состоянием атома, большинство известных углеродных соединений содержат углерод именно в четырехвалентном состоянии, так как выделяющаяся при образовании новых ковалентных связей энергия компенсирует энергетические затраты на переход электрона с s-подуровня на р-подуровень. В процессе образования четырех ковалентных связей происходит выравнивание s и р-электронных облаков с образованием одинаковых по форме и энергии гибридных орбиталей, участвующих в перекрывании. В зависимости от типа гибридизации образуются различные по строению структуры: линейная (одномерная), плоскостная (двумерная) или объемная тетраэдрическая (трехмерная) структуры. Понимание связи между типом гибридизации электронных облаков и строением молекул или кристаллов очень важно при изучении углерода и его многочисленных форм и соединений.

Еще одной важной особенностью атома углерода является его способность образовывать высокомолекулярные структуры: замкнутые и незамкнутые, разветвленные и неразветвленные цепи.

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать всего две кристаллические структуры: графит и алмаз.

Алмаз имеет пространственную структуру, в которой атомы углерода находятся в sp3-гибридном состоянии и образуют 4 прочные ковалентные связи, ориентированные относительно друг друга в пространстве.

Структура графита слоистая, каждый атом углерода в sp2-гибридном состоянии образует три прочные ковалентные связи с атомами, расположенными в одной плоскости. Поскольку связи направлены под углом 120о, то структура слоя состоит из правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Атомы соседних слоев связаны относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса, поэтому связи между слоями менее прочные, и слои легко разделить.

В дальнейшем стало известно, что углерод существует во множестве аллотропных модификаций с различными физическими свойствами:

Алмаз

Графит

Карбин

Графен

Лонсдейлит

Фуллерены

Фуллерит

Наноалмаз

Углеродные нанотрубки

Церафит

Кроме этих кристаллических форм углерод может существовать и в аморфном виде:

Древесный уголь

Активированный уголь

Антрацит

Кокс

Сажа

А так же могут образоваться кластерные формы:

Астрален

Диуглерод.

Делись добром ;)