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 повʼя­­зано 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. звʼязків. Усі атоми в кри­сталах алмазу утворюють 4 еквівалентні ковалентні σ-звʼязки 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 звʼязки з сусід. атомами. Однак кути між цими звʼязками неоднакові, для 3-х вони дорівнюють 90°. Схожою на суперкубан, є структура ренктангулану. Однак кожен атом у ній утворює з 4-ма сусід. ковалентні звʼязки, 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 зʼ­єд­наний 3-ма σ-ко­­валент. звʼязками й одним π-звʼяз­­ком 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. звʼяз­­ків у шарі 420–460 кДж/моль, енергія між­шар. звʼязків 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-звʼязки. 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 ком­­пʼютер. 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 пʼятикутників, 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 звʼязки С=С, спільні для 2-х гексагонів, мають довжини 1,39 А, а довжини одинар. звʼяз­­ків, 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 повʼязаний 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.

Завантажити статтю