Матеріали вуглецеві
МАТЕРІА́ЛИ ВУГЛЕЦЕ́ВІ У природі чистий вуглець трапляється як у кристаліч. вигляді (алмаз і графіт), так і в знач. кількості перехід. форм, причім деякі з них отримані штуч. шляхом. Серед нових структур. форм вуглецю — піровуглець, пірографіт, плівки та мембрани, скловуглець, піновуглець, монокристали, волокна. В осн. стані вуглець має електронну конфігурацію 1s22s22p2. У хім. реакціях вуглець переважно проявляє себе як 4-валент. елемент, що пов’язано з переходом електрона з 2s-орбіталі на 2р-орбіталь. При цьому утворюються 4 неспарених електрони, що можуть зазнавати різних типів гібридизації. Саме гібридизацію вуглец. атомів покладено в основу схеми класифікації вуглец. алотропів. 3D-структури (sp3-гібридизація). Найбільш типовими зразками М. в. у цій категорії є алмаз та лонсделеїт. Алмаз є простор. полімером, що складається з атомів вуглецю sp3-гібридизації з тетраедрич. розташуванням валент. зв’язків. Усі атоми в кристалах алмазу утворюють 4 еквівалентні ковалентні σ-зв’язки з сусід. атомами. Кут між кожними С–С атомами — 109,47°. Структуру алмазу можна подати як суміщені відносно одна одної кубічні гранецентровані комірки. Постійна ґратки а = 0,356 нм. На кожну елементарну комірку алмазу припадає по 8 атомів. Координац. число атомів вуглецю дорівнює 4. Комірка лонсделеїту гексагональна з параметрами а та b, що дорівнюють 0,251 і 0,417 нм. Елементарна комірка лонсделеїту має 4 атоми, а комірка алмазу — 8. Також до цієї категорії належить суперкубан — полімер кубанових (С8Н8) молекул. Вуглец. атоми в ньому перебувають у стані, що близький до sp3-гібридизації, утворюючи по 4 ковалентні зв’язки з сусід. атомами. Однак кути між цими зв’язками неоднакові, для 3-х вони дорівнюють 90°. Схожою на суперкубан, є структура ренктангулану. Однак кожен атом у ній утворює з 4-ма сусід. ковалентні зв’язки, і, на відміну від суперкубану, лише 2 з них будуть складати 90°. Також передбачено існування проміжних структур між ренктангуланом та лонсделеїтом. 2D-структури (sp2-гібридизація). Осн. зразками таких структур є графен і графіт, утворений з графен. площин. Лист графену складається з sp2-гібридизов. атомів вуглецю, що знаходяться на вершинах правил. шестикутників. Відстань між атомами вуглецю в графен. шарах — 0,1422 нм. Кожен атом з’єднаний 3-ма σ-ковалент. зв’язками й одним π-зв’язком з 3-ма сусід. атомами. За рахунок особливостей зон електрон. і діроч. станів графен є дуже чутливим до різних впливів. Ці та ін. властивості дозволяють використовувати його в польових транзисторах, сенсорах, суперконденсаторах тощо. Графен отримують штучно (Нобелівська премія, 2010, рос. і британ. фізики А. Гейм і К. Новосьолов). Осн. групи методів синтезу графену: послідов. відлущенням шарів графіту з одержанням у результаті окремих графен. моношарів (за допомогою хім., зокрема кислотами, лугами, солями, або мех. оброблення); терміч. розкладанням карбоновміс. сполук (напр., SiC). Графіт складається з графен. шарів, укладених у стос. Енергія вуглець-вуглец. зв’язків у шарі 420–460 кДж/моль, енергія міжшар. зв’язків у 10 разів менша та складає 42 кДж/моль, що й визначає фіз. властивості графіту. Атоми вуглецю в кожному шарі розташовуються точно над центром правил. шестикутників у сусід. верх. шарі, причому порядок пакування проявляється чергуванням шарів ab ab ab. Існують також і ін. 2D-структури, що відрізняються від графен. матеріалів структур. впорядкованістю атомів вуглецю (напр., 2D-графен. сітки). 1D-структури (sp-гібридизація). Осн. зразком є карбін — ліній. полімер. ланцюжок пальмін. (-С≡С-)n або кумулен. (=С=С=С=)n типів. Він має гексагонал. кристалічну ґратку, що складається з прямоліній. ланцюжків С. Кожний атом вуглецю утворює по 2 σ- та π-зв’язки. Карбін є напівпровідником з електрон. провідністю, ін. його властивості нині ще вивчають. Спочатку був отриманий у штуч. умовах шляхом окиснення ацетилену, пізніше виявлено й у природ. стані. Квазі 1D-структури (sp3>n>2-гібридизація). До них зараховують вуглец. нанотрубки. Ідеал. одношар. нанотрубка — графен. площина, скручена в трубку. Багатошар. нанотрубка складається з вкладених одна в одну одношар. нанотрубок. Зовн. діаметр одношар. нанотрубок — 0,4–3 нм (довж. може досягати декількох мікрон), а багатошар. — понад 100 нм, внутр. діаметр — 1–30 нм. Існує значна кількість структур. типів вуглец. нанотрубок (залежно від кута скручування, або хіральності, діаметра, дефекності тощо). Їхні відмінності суттєво впливають на фіз.-хім. властивості. Осн. методи синтезу нанотрубок: розпилення графіту в електр. дузі; лазер. розпилення суміші графіту з металами; терміч. розкладання вуглецьвміс. сполук на металовміс. каталізаторах. Нанотрубки здатні емітувати електрони та проявляти різні типи електропровідності, тому їх застосовують для виготовлення елементів комп’ютер. процесорів, сенсорів, катодів люмінесцент. освітлювал. ламп, дисплеїв тощо. Встановлення таких перспектив. мех. і адсорбц. властивостей, як висока міцність, жорсткість та розвинена поверхня, призвело до активізації дослідж. вуглец. нанотрубок як нанокомпозитів, контейнерів для зберігання газів і складових каталітич. систем. Квазі 0D-структури (sp3>n>2-гібридизація). До них належать фулерени (Нобелівська премія, 1996, амер. учені Р. Керл і Р. Смолі, британ. учений Г. Крото) — алотропні форми вуглецю, в яких атоми знаходяться на вершинах правил. шести- і п’ятикутників, що вкривають поверхню сфери або сфероїда. Ці молекули можуть містити 28, 32, 50, 60, 70, 76 і більше атомів. Найбільш стабільний фулерен С60, в якому вуглец. атоми утворюють багатогранник, що складається з 20 гексагонів С6 та 5 пентагонів С5. Подвійні зв’язки С=С, спільні для 2-х гексагонів, мають довжини 1,39 А, а довжини одинар. зв’язків, спільних для пентагона та гексагона, дорівнюють 1 А. Фулерени поділяють на 2 сімейства: нижчі (С60 < n) та вищі (С60 > n). Вони можуть мати як одну, так і декілька оболонок, вкладених одна в одну; взаємодіяти як з різними атомами, молекулами, комплексами зовні своєї оболонки, утворюючи екзофулерени, так і вміщувати атоми в середині своєї оболонки (ендофулерени). Чисті, екзо- й ендофулерени можуть утворювати кристалічні ґратки (таку структуру називають фулерітом). Фулерени одержують в дуговому розряді, методом лазер. абляції та під час горіння вуглеводнів. Конденсат, що містить, окрім сажі, 10–20 % фулеренів, подають в органіч. розчинник (бензол, толуол), де вони, на відміну від сажі, розчиняються. Один із перспектив. напрямів фізико-хімії фулеренів пов’язаний з можливістю введення всередину порожнистої або сфероїдал. молекули одного чи декількох атомів. Застосування фулеренів найбільш поширене в фармакології та медицині. Під час здійснення усіх видів гібридизації (sp3 + sp2 + sp) утворюються вуглец. змішані форми: аморф. вуглецю, алмазоподіб. вуглецю, скловуглецю, сажі тощо.
Рекомендована література
- Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки // УФН. 1997. Т. 167, № 9;
- Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. Эндоэдральные фуллерены // Соросов. образовател. журн. 2001. № 8;
- E. Rollings et al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2006. Vol. 67;
- Zh. Chen et al. Graphene Nano-Ribbon // Electronics Physica E. 2007. Vol. 40;
- Беленков Е. А., Ивановская В. В., Ивановский А. Л. Наноалмазы и родственные углеродные наноматериалы. Екатеринбург, 2008.
Завантажити статтю
