Презентация на тему к уроку-проекту Аллотропные модификации углерода

в таблице Менделеева. Он располагается в главной подгруппе четвертой

группы, втором периоде. Углерод-типичный неметалл.

соединений углерода с другими элементами. Их изучение составляет целую

науку – органическую химию. В тоже время за изучение свойств чистого углерода ученые взялись сравнительно недавно - около 20 лет назад.

в земной коре – 0,048%. Но несмотря на это,

он играет огромную роль в живой и неживой природе.

в растительных и живых организмах, в состав ДНК. Содержится

в мышечной ткани – 67%, костной ткани – 36% и крови человека (в человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного углерода).

аллотропных модификациях – алмаз, графит, карбин, крайне редко фуллерены.

В лабораториях также были синтезированы многие другие модификации: новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.

половина атомов располагается в вершинах и центрах граней одного

куба, а другая – в вершинах и центрах другого, смещённого относительно первого в направлении его пространственной диагонали.
Каждый атом окружен четырьмя такими же атомами, располагающимися по вершинам тетраэдра. Расположение атомов таково, что каждый из них окружен четырьмя равноотстоящими ближайшими атомами — тетраэдр. На одну ячейку приходится восемь атомов. Все атомы относятся к одной правильной системе точек. Междоузлия представляют собой тетраэдрические пустоты.
Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объёма – атомы упакованы очень плотно

(ЛОНГСДЕЙЛИТ). РИС. 2 КУБИЧЕСКИЙ АЛМАЗ

(плотная упаковка и прочность связей).
Хрупок – довольно легко расколоть

на части.
Очень высокая теплопроводность – проводит тепло в несколько раз лучше, чем многие металлы (в 4 раза лучше меди).
Не проводит электрический ток.

минерала проверяется царапанием его «эталонным карандашом твёрдости». Немецкий минералог

Ф.Моос создал шкалу твёрдости минералов. В ней в порядке возрастания твёрдости расположены 10 минералов: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

жёлтого, коричневого, молочно-белого, синего, зелёного, серого и даже чёрного

цвета. Окраска связана с дефектами в кристаллической решётке и замещением части атомов углерода на атомы бора, азота и даже алюминия. Серая и чёрная окраска алмазов обусловлена включениями графита.

алмазы сильно преломляют свет.
Для резки стекла, металлов, наконечники свёрл

(«алмазные жала»), буров и резцов – благодаря твёрдости.
Алмазный порошок – для полировки и огранки драгоценных камней (рубинов) – твёрдость.

свинца

состоящие из соединённых рёбрами шестиугольников. Каждый атом в слое

имеет трёх соседей и угол между ними 120 градусов - возникает
Четвёртый электрон делокализован (сходство с металлами).
Связи вдоль слоёв и между ними разные по прочности.

(неравноценные по прочности связи).
Электропроводен и имеет металлический блеск (электроны

блуждают, как у металлов).
Вещество жирное на ощупь
Теплопроводность в направлении плоскости слоёв больше, чем в перпендикулярном направлении.
Электрическое сопротивление в направлении слоёв меньше, чем в перпендикулярном направлении наблюдается анизотропия (зависимость свойств вещества от направления)

(в смеси с маслом) – между отдельными слоями графита

взаимодействие настолько слабо, что возникает скольжение. Чешуйки графита заполняя неровности поверхности создают гладкую поверхность.
Графитовые стержни – электроды – электропроводность.
Тигли, блоки для атомных реакторов – тугоплавкость.
Теплозащитный материал для головных частей ракет – термостойкость.
Получение карбидов – легко реагирует с металлами.

материал заменяет резину и металл.
Стеклоуглерод – химически стоек, заменяет

платиновую химическую посуду.
Пирографит – для изготовления искусственных клапанов сердца
Углеродное волокно как наполнитель в пластики для придания большей прочности и электропроводности, лёгкие эластичные электронагреватели
Рис. Углеродная ткань и углеродное волокно, стаканчик из стеклоуглерода

было связано с открытием графитового месторождения в Камберленде (Англия).
В

1795 г. в Париже по способу Конта изготовлялись карандаши из смеси графита и глины, обожжённые в печи. Эта технология используется и по сей день. Чем больше глины – тем твёрже карандаш. В особые мягкие карандаши добавляют воск и сало – ими можно писать на стекле. Особый сорт рыхлых карандашей служит для пастельной живописи.

учёные разработали пути синтеза графинов – веществ со слоистой

структурой, аналогичной графиту. Каждый слой графина состоит из шестичленных колец, внутри которых атомы связаны особой ароматической связью и связанных в свою очередь между собой.

исследованиями – эти три разновидности – мелкокристаллический графит, а

не отдельные аллотропные модификации.
Сажа получается при разложении метан
Кокс образуется при разложении угля без доступа воздуха
Древесный уголь образуется при разложении древесины без доступа воздуха. Обладает способностью к адсорбции – способностью поглощать различные вещества. Это явление используется для очистки сахара, спирта, в фильтре противогаза. Активированный уголь прокаливают на перегретом пару, число пор при этом увеличивается, что улучшает адсорбцию.

цепей, образованных участками: -С≡ С-С≡ С- (карбин) или =С=С=С=С=

(поликумулен)

превращается в графит.

существовать в виде белого вещества с промежуточной плотностью. Карбин

обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость резко увеличивается.

способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке,

физические свойства карбина могут меняться в широких пределах. Позднее карбин был найден в природе в виде вкраплений в природном графите, содержащемся в минерале чаоит, а также в метеоритном веществе.

Метеорит содержащий вкрапления карбина

и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который построил конструкцию купола

из сочленённых пяти- и шестиугольников.

только из углерода, число атомов которого четно, от 32

и более 500, они представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников.

Фуллерен С70

Изучение этих интересных объектов только начинается
(«нано» - 10¯9)

Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие из

шестиугольников и пятиугольников.

Купол Фуллера

которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого

углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, которая имеет форму сферы.

Модель фуллерена С60

как уголь, кокс и сажа. Но все эти формы

являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

Сажа

и протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, которые отличаются

широким разнообразием физико-химических свойств.
Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Строение нанотрубки

трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду с правильными шестиугольниками,

также по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их диаметр.

наночастицы. Это замкнутые структуры, подобные фуллеренам, но значительно превышающие

их по размеру. В отличие от фуллеренов, они также как и нанотрубки могут содержать несколько слоев., имеют структуру замкнутых, вложенных друг в друга графитовых оболочек. В наночастицах, аналогично графиту, атомы внутри оболочки связаны химическими связями, а между атомами соседних оболочек действует слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. Обычно оболочки наночастиц имеют форму близкую к многограннику. В структуре каждой такой оболочки, кроме шестиугольников, как в структуре графита, есть 12 пятиугольников, наблюдаются дополнительные пары из пяти и семиугольников.

углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и

соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении

или отшелушивании слоёв Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния— гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.