Аллотропы углерода

1.

Подготовила: Мурзина Лия
Проверил: Екомасов Евгений Григорьевич

2.

Углерод
■ Порядковый номер 6.
■ Атомная масса – 12,0107 г/моль.
■ Радиус атома 77пм.
■ Электронная конфигурация: 2s22p2.
В данном докладе мы рассмотрим углерод как химический элемент и его основные аллотропные
модификации, их состав, строение, получение, применение, их важнейшие свойства.

3.

Кристаллические формы чистого углерода
Алмаз
Трёхмерный полимер
Карбин
Полииновая, или полиацетиленовая (-С-С-)n,
и кумуленовая (=C=С=)n формы линейного
углерода
01
02 Графит
03
04 Фуллерен
Двумерный полимер
Семейство сферообразных
углеродных молекул

4.

Сколько независимых аллотропных форм
элементарного углерода может существовать в природе?
По каким критериям их следует выделять
из множество других углеродных материалов?

5.

Понятие аллотропии,
полиморфизма и политипизма
Аллотропия - существование двух и более простых веществ одного и того же
химического элемента, различных по строению и свойствам.
Понятие полиморфизма имеет в большей мере кристаллографическое значение,
так как включает структурные и морфологические изменения.
Политипизм - то способность вещества кристаллизоваться в виде нескольких
модификаций, каждая из которых при двух идентичных параметрах
элементарной ячейки отличается лишь третьим, зависимым чаще всего от
расстояния между соседними слоями.

6.

Классификации модификаций
углерода
По типу происхождения (естественные и синтезируемые).
По наличию кристаллической решётки (аморфные и
кристаллические).
По характеру химической связи между атомами.

7.

Схематическое изображение основных аллотропных форм углерода

8.

Алмаз
Алмаз - минерал, кубическая аллотропная форма
углерода. При нормальных условиях метастабилен и
может
существовать
неограниченно
долго,
превращаясь в стабильный в этих условиях графит
только при нагревании.

9.

Дефекты решётки
Комплекс азот-вакансия в алмазе, так
называемый NV-дефект, является нарушением
кристаллической̆ решётки при удалении атома
углерода из узла и связыванием этой̆
новоявленной вакансии с атомом азота
Схематическая иллюстрация азотно-вакансионного
центра и кристаллической̆ решётки алмаза.
Обозначены атом азота, вакансия (прозрачная) и
ближайшие к ней̆ атомы углерода

10.

На
рисунке
представлены
спектры
оптически
детектируемого магнитного резонанса, полученные Э.
Ван Оортом и др.
Верхний спектр (а) состоит из центральной линии на
2880 МГц и нескольких, относительно слабых по
интенсивности, боковых линий, сдвинутых на 70 и 140
МГц в стороны меньших и больших полей̆ относительно
основного перехода.
Нижний̆ спектр (б) получен в магнитном поле H = 100 Гс.
Экспериментальные
данные
авторы
гамильтонианом следующего вида:
описывали

11.

Графит
Графит – это самородный минерал на основе углерода,
имеющий слоистую структуру. Представляет собой
кристаллы различного размера с чешуйчатой структурой.
Имеет тёмно-серый цвет с характерным металлическим
блеском.
Слои
кристаллической
решётки
могут
по-разному
располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд
политипов.

12.

Электропроводность графита

13.

Фуллерены
Фуллерены — молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые
замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода.
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных
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.

14.

Карбин
Структуру карбина образуют атомы
углерода, собранные в цепочки
двойными связями (β-карбин) или
чередующимися одинарными и
тройными связями (α-карбин).
Полимерные
цепочки
имеют
химически активные концы (т. е.
несут локализованный отрицательный заряд) и изгибы с цепочечными
вакансиями, в местах которых
цепочки соединяются между собой
за счет перекрывания π-орбиталей
атомов углерода. Важное значение
для образования сшивок имеет
присутствие
таких
примесей
металлов, как железо, калий.

15.

ГРАФЕН

16.

Нобелевская премия по
физике за 2010 год была
присуждена Андрею Гейму
и Константину Новосёлову
из Манчестерского университета за новаторские
эксперименты
с
графеном — двумерной
формой углерода.
Возглавляемая ими группа
ученых была первой, кому
удалось получить графен и
идентифицировать
его.
Помимо этого, работы
Гейма и Новосёлова внесли
важный
вклад
в
исследования необычных
свойств и характеристик
нового материала.

17.

Энергетический спектр
электронов в графене
Структура разрешённых энергетических зон графена
Переход Джозефсона через плёнку графена

18.

19.

НАНОТРУБКИ

20.

21.

Стеклоуглерод
Твёрдый материал, сочетающий свойства графита (хорошая электропроводность) и стекла
(высокая твёрдость).
Стеклоуглерод состоит из чистого углерода с небольшой примесью высокомолекулярных
углеводородов. Его структура сложна и сходна с фуллеренами. Благодаря этому он
химически нейтрален и устойчив к коррозии при воздействии кислот, щелочей и
растворителей.
Стеклоуглерод получают путём карбонизации высокомолекулярных углеводородов. Обычно
используются специальные термореактивные полимеры, которым придают форму нужного
изделия, а затем обжигают при температуре порядка 2000 °C в вакууме или инертной
атмосфере.
Из стеклоуглерода изготавливают тигли, электроды, лабораторные стаканы, чаши, стержни
d 1-10мм, трубки, листовой стеклоуглерод. Он является заменителем дорогостоящих
металлов (платины, молибдена, титана и др.) посуда из стеклоуглерода обладают
устойчивостью к агрессивным средам.

22.

Углеродная нанопена
Преимущества и свойства:
Внешне представляет собой очень лёгкий порошок чёрного цвета.
Плотность — порядка 0,2 мг/см³.
Для сравнения, плотность воздуха 1,29 мг/см³, плотность
кварцевого аэрогеля 1 г/см³, плотность аэрографита 0,18 мг/см³.
Является полупроводником. Удельное сопротивление 10-30 МОм·м
(при комнатной температуре), которое убывает по мере
нагревания.
Электропроводность гораздо меньше, чем у аэрогеля.
Обладает сильными парамагнитными свойствами, а при
температуре ниже ~92 К (точка Кюри) становится
ферромагнетиком. «Постоянный» магнитный момент проявляется
сразу после изготовления и наблюдается в течение пары часов. Это
единственная форма углерода, которая притягивается к магниту
при комнатной температуре.
Хорошо поглощает инфракрасные лучи.

23.

Углерод имеет всего 2 аллотропные модификации, а
остальное — это лишь их видовые модификации.
Этот материал на самом деле крайне интересный с точки
зрения использования. Его особенное строение
позволяет ему занимать одну из самых высоких позиций
по распространённости его соединений, а так же
позволяет участвовать в абсолютном большинстве
устройств, созданных человеком.

24.

♥БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!♥