Углерод. Алмаз

Киностудия «Химик» представляет:

«Углерод. Алмаз»

Выполнили ученицы 11 «А» класса

Циркина Светлана, Шишканова Юлия

Жили-были атомы углерода. Адрес у них был обычный: планета Земля, материк Химия, страна Простые вещества, городок Углерод; атомы же у него были необыкновенные, так как очень любили фантазировать благодаря четырем неугомонным электронам на внешнем энергетическом уровне: одному сферическому s-электрону и трем близнецам — гантелеподобным р-электронам. С ними происходили всяческие метаморфозы, которые приводили к образованию веществ, настолько разных по свойствам, что не верилось, что они состоят из одинаковых атомов — атомов углерода. У электронов был порыв братской дружбы, и они становились неразлучными. Их невозможно было отличить — образовывались четыре гибридных орбитали с углом 108° 28', направленные к вершинам тетраэдра, с длиной связи 0,154 нм. Образовавшееся вещество имело невероятный блеск, чрезвычайно прочный и твердый характер, было прозрачным и диэлектрическим в отношениях, с высокой точкой кипения. Это — прочный алмаз.

И все же в алмазе самыми близкими в отношениях были группы по восемь атомов. Если же четыре из них (один тетраэдр) в дискуссии отклонялись от четырех других атомов (второй тетраэдр) на 60°, то образовывался лонсдейлит. Как известно, в споре рождается истина: оказалось, что новое соединение тверже алмаза на 58 %. Вот такие метаморфозы.

Дальше нас ждут ещё более интересные открытия. Итак, вернемся к четырем электронам углерода. Не всегда все они находились в контакте. Если один р-электрон отделялся от них глухой стеной недоразумения, то образовывались три гибридные орбитали с углом 120°, которые размещались в одной плоскости с расстоянием между ними 0,134 нм.

Как видите, заинтересованность в общении возросла, и длина связи уменьшилась. Так у алмаза и лонсдейлита, родных братьев, появились двоюродные: графит, графен, фуллерены, углеродные нанотрубки, стекловидный углерод. Но все по порядку. Старший сероглазый брат графит имел непрозрачный, мягкий, слоистый характер, где уступчивость (с ним договаривалась даже бумага) сосуществовала с огнестойкостью и жаропрочностью, а при температуре 2000 °С — пластичностью, а несговорчивый p-электрон придавал ему электропроводность и металлический блеск.

Если же разделить слои атомов углерода в графите, оставив атомы, соединённые только дружескими электронами, то образуется графен (лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года) — материал большей механической жесткости (дружба цементирует отношения) и хорошей тепло- и электропроводности (негибридизированные р-электроны в свободном плавании). Перед вами суперзвезда — будущая основа наноэлектроники.

Кристаллическая решетка алмаза

Кристаллическая решетка лонсдейллита                                              

Внимание! Если одну или несколько гексагональных графитовых плоскостей свернуть в трубку — цилиндр диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких сантиметров,

получим тубуллены (углеродные нанотрубки). Представьте себе: в этих нанозданиях могут поселяться активные молекулы, металлы, газы — жилой вопрос решен, все адреса установлены, субсидии нашли своих адресатов. И если сказка (довольно длинные нанотрубки) станет реальностью, то такой нанотрос сможет поднимать больше тонны.

Оказывается, атомы углерода, как и миллионы людей, любят футбол. Иначе как объяснить их способность образовывать молекулы, которые по форме напоминают футбольный мяч. Они состоят из пяти- и шестиугольников и так и называются —бакиболы (другое название — фуллерены, в честь архитектора Фуллера, изобретшего эту конструкцию). Собранные вместе, они образуют фуллериты, которые являются полупроводниками. Если же их легировать небольшим количеством щелочного металла, они становятся проводниками, а при низких температурах — сверхпроводниками. Представляете изменения? А они могут ещё и не такое!

Перейдем к третьей родственной линии атомов углерода. Когда стремятся к изменениям только два электрона — по одному s и р, а два других р-электрона не желают изменяться, их всё устраивает, то образуются только две гибридные орбитали под углом 180°, но с чрезвычайным доверием в отношениях, расстояние между ядрами атомов углерода ещё уменьшается и составляет лишь 0,120 нм. Такие линейные цепочки атомов, соединенные одинарными и тройными (α-форма) или только двойными (β-форма) связями, образуют порошок черного цвета — карбин. Его высокая биологическая родственность и нетоксичность дают возможность из волокон с карбиновым покрытием получать протезы кровеносных сосудов, неотталкивающие крепкие шовные нити, покрытия трущихся поверхностей искусственных суставов, а карбиновые фотоэлементы надежны вплоть до 500 °С. Это просто фантастика!