Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=41 Дата изменения: Fri May 5 15:25:46 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:20:23 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: легирование

Попытки обнаружения фуллереновых соединений в промышленной саже

Министерство народного образования Республики Башкортостан

МУ УНО г.Салават гимназия ?2
Выполнили: Ерина Оксана, ученица 8 класса,
Коротова Александра, ученица 10 класса
Руководитель: Злобина Галина Петровна, учитель химии

Нас заинтересовало открытие фуллеренов, так как в школьном курсе об
этой аллотропной модификации практически не упоминается, а сообщения об
этих необычных веществах и их исследования занимают последние десятилетия
первые места.
История открытия. Способ получения.
Удивительные замкнутые молекулы, состоящие только из атомов
углерода и напоминающие по форме футбольный мяч, были открыты
около двадцати лет назад. Свое название « фуллерены » получили по
имени американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера
Фуллера, который изобрел очень прочную сферическую конструкцию -
«геодезический купол». Их также называют бакминстерфуллеренами,
бакиболами (от имени Фуллер) и футболенами (от футбольного мяча).
В 1985 г. англичанин Крото (Сассекский университет) и американцы
Хит, О Браен, Керл и Смолли из университета Райса обнаружили, что
при лазерном облучении твердого образца графита образуются
фуллерены, молекулы которых состоят из 60 и 70 атомов углерода (рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Молекулы фуллеренов С60 и С70
Физики Хаффман и Кречмар разработали относительно простую
технологию производства фуллерена, основанную на сжигании графитовых
электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при давлении
ниже атмосферного. Схема их установки представлена на рис. 2.
[pic]
Рис. 2. Схема установки для получения фуллеренов.
В электрической дуге связи между отдельными слоями графита
разрушаются. Фрагменты этих слоев при высокой температуре в
атмосфере гелия скручиваются и смыкаются по-новому, образуя молекулы
фуллеренов. В таких условиях образуется смесь молекул с разной
структурой, основными компонентами которой являются фуллерены С60 и
С70, находящиеся в соотношении ~ 4:1. Помимо них обнаруживаются
как менее, так и более крупные молекулы; их состав может
варьироваться в зависимости от способа и условий получения
(электрическая дуга, лазерное облучение), Индивидуальные соединения
выделяются из смеси методом экстракции и жидкостной хроматографии,
Предложенная методика позволяет получать разнообразные фуллерены из
графита в граммовых количествах.
Сегодня во многих лабораториях мира созданы и действуют
установки для наработки фуллеренов. Себестоимость 1 г фуллерена
составляет около 100 долларов США, что позволяет говорить об их
практическом использовании как о вполне реальной задаче.

Структура фуллеренов

Молекулы фуллеренов построены только из атомов углерода. По
этому признаку их следует отнести к углеродным кластерам -
образованиям атомов одного вида, соединенным между собой химическими
связями.
Фуллерены - замкнутые молекулы. Геометрически они представляли
собой шар или эллипсоид вращения, состоящий, подобно футбольному
мячу, из правильных шестиугольников и пятиугольников, в вершинах
которых расположены атомы углерода. Расстояния между атомами
углерода в С60 равны 1,391 е и 1,455 е, а в С70 - от 1,37 е
до 1,47 е. Родоначальник фуллеренов, молекула С60, характеризуется
наиболее высокой симметрией и, следовательно, стабильностью. Его
молекула построена из 20 правильных шестиугольников и 12
пятиугольников так, что каждый шестиугольник соединен своими гранями
с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый
пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Диаметр молекулы
фуллерена С60 немногим больше 1 нм (миллиардной части метра),
Фрагмент молекулы фуллерена, развернутый на плоскости, представлен
на рис. 3
[pic]
Рис. 3. Фрагмент молекулы фуллерена.
Каждый атом углерода в молекуле фуллерена соединен с тремя
другими атомами углерода - своими ближайшими соседями. Формально
атомы углерода в этой молекуле находятся в состоянии sр2-
гибридизации, поэтому фуллерены могут быть отнесены к ароматическим
соединениям, подобным бензолу и его производным. Результаты квантово
- химических расчетов также подтверждают их ароматичность. В этом
сходство и различие структур фуллеренов, алмаза и графита.
Химические и физические свойства фуллеренов
Из ароматичности фуллеренов следует, что для них возможны два
типа первичных реакций - отнятие электронов и принятие электронов
или групп (нуклеофильных реагентов и свободнорадикальных частиц). По
данным последних исследований, молекулы фуллеренов способны
присоединять к себе до шести электронов. Это делает их сильными
окислителями.
В результате присоединения молекул водорода образуется
соединение С60Н36 из которого далее может быть получен полностью
гидрированный фуллерен С60 Н60 (рис. 5), называемый «фаззибол» (от
англ. fuzzi - пушистый и ball -мяч).
[pic]
Рис. 5. Полностью гидрированный фуллерен - фаззибол.
Получены также продукты присоединения галогенов, фосфора,
металлов и их оксидов, бензола и его производных, NO2, свободных
радикалов с радикальным центром на атомах углерода, кислорода, серы
или фосфора.
С кислородом С60 реагирует только при облучении. Одно из
направлений реакции приводит к образованию оксидов С60о и С70О.









Рис. 6. Фуллеренный ферромагнетик - баннибол.
Очень интересна реакция С60 с О?О4, осуществленная группой
химиков из Калифорнийского университета (США), в результате которой
образуется обладающее ферромагнетизмом производное фуллерена -
С60(О?О4) - 4 -трет - бутилпиридин, получивший название «баннибол» (от
англ. bunny - кролик) (рис.6).
Синтезированы и другие металлоорганические соединения С60 с Pt,
Ir, Pd.
Кристаллы фуллеренов также представляют собой полупроводники .
В 1991 г. было обнаружено, что легирование твердого С60
небольшим количеством щелочного металла, приводят к соединениям, которые
обладают сверхпроводимостью. Такие производные фуллерена имеют
структуру Х3С60 или XY2С60 (где X,Y - атомы щелочных металлов Rb,
Cs, K, Na, Li). Любопытно, что если количество щелочного металла,
включенного в кристаллическую структуру фуллеренов увеличить, то
проводник превращается в диэлектрик.
Имеются сообщения о синтезе полимеров на основе фуллерена -
полидиазосоединения, а основе известной склонности бензильных
радикалов присоединяться к фуллеренам синтезирован полимер, в
котором остатки молекул С60 соединены между собой в цепи
ксиленовыми радикалами:
[ - С60 - СН2 - С6Н4 - СН2 -]4 -.
В перспективе возможен синтез двух- или трехмерных структур на
основе фуллеренов.
Даже короткого перечисления физико-химических, оптических и
электрических свойств фуллеренов и их производных в газообразном и
конденсированном состояниях достаточно для того, чтобы понять, что
мы имеем дело с необыкновенными соединениями. Поэтому неудивительно,
что химия и физика фуллеренов в настоящее время переживает период
бурного развития.
Очень большой интерес вызывают соединения включения,
представляющие собой молекулы фуллеренов, внутрь которых помещен
один или несколько атомов того или иного элемента (рис.7).









Рис.7. Молекула фуллерена с помещенным внутрь нее

атомом калия (соединение включения).
В настоящее время такие соединения получены почти с третью
атомов периодической системы элементов.
Все это, а также, как выяснилось, достаточно несложное получение
фуллерена при сжигании графитовых электродов натолкнуло нас на мысль о
возможном присутствии фуллерена в сажи промышленных топок электростанций.
Постановка целей работы: Исследовать возможность присутствия
фуллереновых соединений в промышленной саже
Нами были исследованы образца сажи топок паровых котлов тепловых
электростанций Салаватской ТЭЦ. В качестве топлива используется мазут
(производитель - ОАО «Салаватнефтеорг- синтез») или уголь Кумертауского
(Башкортостан) месторождения.
Ход эксперимента: Навеска сажи массой 1 грамм (весы аптечные)
экстрагировалась бензолом (10 мл) в течение 30 минут при постоянном
перемешивании. Параллельно проводилась экстракция самого угля и графита.
Экстракт сажи окрашивался от желтого до красно-коричневого цветов,
экстракты угля и графита оставались бесцветными. По данным ( ) бензольный
экстракт фуллерен содержащей сажи имеет темную бордово-красную окраску.
Полученный нами экстракт отфильтровывали на вакуумном фильтре. Экстракт
сажи подвергли спектрофотомет- рированию на СФ-16 в области от 260 до 540
нм (на водородной лампе и лампе накаливания). Полученный спектр имеет вид:

Длина волнынм |260 |270 |280 |290 |300 |310 |320 |330 |340 |350 |360 |370
|380 |390 |400 |410 |420 |430 |440 |450 |460 |470 |480 |490 |500 |510 |520
|530 |540 |550 | |Оптическая плотность |0,45 |0,5 |0,52 |0,53 |0,55 |0,55
|0,57 |0,58 |0,58 |0,63 |0,65 |0,7 |0,68 |0,65 |0,515 |0,46 |0,365 |0,35
|0,26 |0,22 |0,15 |0,13 |0,08 |0,08 |0,08 |0,08 |0,08 |0,08 |0,08 |0,08 | |

[pic]
Спектр имеет максимум поглощения в области 370-380 нм и «плечо» в
области 410-420 нм. Ни нафталин, ни антрацен, ни фенантрен, ни пентацен, ни
тетрафен, ни известные другие органические конденсированные углеродные
соединения при этих длинах волн пиков не имеют ( ). Кому же может
принадлежать полученный нами спектр поглощения?
Параллельно мы провели подобный же эксперимент с сажей печной из трубы
бытовой дачной бани ( в качестве топлива использовали древесный уголь).
Хотя бензольный экстракт и имеет окрашенный вид ( желтый), но в той же
области длин волн не имеет областей поглощения.

Вывод: Таким образом, мы полагаем, исходя из, растворимости
компонентов сажи в бензоле, из не идентифицированного спектра экстракта,
из окрашенного экстракта, что в промышленной саже допустимо присутствие
фуллереновых соединений.

Техника безопасности: все эксперименты, связанные с использованием
бензола проводились в вытяжном шкафу



Список использованной литературы:
1. Л.Н.Сидоров. Газовые кластеры и фуллерены. Соросовский
образовательный журнал, ?3, 2000
2. «Фуллерены». Кругосвет. Энциклопедия 2001
3. Ю.А.Осипьян. Беседы о фуллерене. Электронный журнал ПЕРСТ, т.6,
вып.9, т.7, вып.12.2000
4. Г.Т.Хачатурова. «Фуллерены». Химия. Приложение к газете «Первое
сентября» ?31, 1995
5. Справочник химика, второе издание, т.4, 1965
6. Спектрофотометрические методы исследований. М, 1970