Аннотация
Статья посвящена изучению фуллерена С60. Авторы рассматривают особенности строения бакминстерфуллерена, а также его физические свойства.
Фуллерены – это молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных модификаций углерода, имеющие замкнутые каркасные структуры, состоящие из трех координированных атомов углерода и имеющих 12 пятиугольных и (n/2 - 10) шестиугольных граней (n≥20). Особенностью является то, что каждый пятиугольник соседствует только с шестиугольниками [1].
Наиболее устойчивую форму имеет С60 (бакминстерфуллерен), сферическая полая структура которого состоит из 20 гексагонов и 12 пентагонов.
Рисунок 1 – Структура С60 (анимация: 24 кадра, циклов повторения 10, размер 133 Кб)
Молекула C60 представляет собой атомы углерода, связанные друг с другом ковалентной связью. Данная связь обусловлена обобществлением валентных электронов атомов. Длина связи С−С в пентагоне равна 1,43 А, как и длина стороны гексагона, объединяющей обе фигуры, однако, сторона, соединяющая гексагоны, составляет приблизительно 1,39 А [2].
В определенных условиях молекулы С60 имеют свойство упорядочиваться в пространстве, они располагаются в узлах кристаллической решетки, иными словами, фуллерен образует кристалл, называемый фуллеритом. Чтобы молекулы С60 систематично разместились в пространстве, как и их атомы, они должны связаться между собой. Данная связь между молекулами в кристалле обусловлена наличием слабой ван–дер–ваальсовой силы. Это явление объясняется тем, что в электрически нейтральной молекуле отрицательный заряд электронов и положительный заряд ядра рассредоточены в пространстве, в следствии чего молекулы способны поляризовать друг друга, иными словами, они приводят к смещению в пространстве центров положительного и отрицательного зарядов, что обуславливает их взаимодействие [3].
Твердый C60 при комнатной температуре имеет гранецентрированную кубическую решетку, плотность которой составляет 1,68 г/см3. При температуре ниже 0° С происходит трансформация в кубическую решетку.
Энтальпия образования фуллерена–60 составляет около 42,5 кДж/моль. Данный показатель отображает его малую стабильность, по сравнению с графитом (0 кДж/моль) и алмазом (1,67 кДж/моль). Стоит отметить, что с увеличением размеров сферы (по мере увеличения количества атомов углерода) энтальпия образования асимптотически стремится к энтальпии графита, это объясняется тем, что сфера все больше напоминает плоскость.
Внешне фуллерены представляют собой мелкокристаллические порошки черного цвета, не имеющие запаха. Они практически нерастворимы в воде (H2O), этаноле (C2H5OH), ацетоне (C3H6O) и других полярных растворителя, зато в бензоле (C6H6), толуоле (C6H5−CH3), фенилхлориде (C6H5Cl) растворяются образуя окрашенные в красно–фиолетовый цвет растворы. Стоит отметить, что при добавлении капли стирола (C8H8) к насыщенному раствору C60 в диоксане (C4H8O2), происходит мгновенное изменение окраски раствора с желто–коричневого окраса на красно–фиолетовую, в связи с образованием комплекса (сольвата).
В насыщенных растворах ароматических растворителей фуллерены при низких температурах образует осадок – кристаллосольват вида C60·Xn, где в качестве X выступают бензол (C6H6), толуол (C6H5−CH3), стирол (C8H8), ферроцен (Fe(C5H5)2) и другие молекулы.
Энтальпия растворения фуллерена в большинстве растворителей положительна, при увеличении температуры растворимость, как правило, ухудшается [4].
Исследование физических и химических свойств фуллерена является актуальным явлением, так как данное соединение все прочнее входит в нашу жизнь. В настоящее время обсуждаются идеи использования фуллеренов в создании фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются в синтезе металлов и сплавов с улучшенными свойствами.
Фуллерены планируются в использовании в основе производства аккумуляторных батарей. Принцип действия данных батарей основан на реакции гидрирования, они во многом аналогичны широко распространенным аккумуляторам на основе никеля, однако, в отличие от последних, обладают способностью запасать в несколько раз больше удельного количества водорода. Кроме того, подобные батареи обладают более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств литийными аккумуляторами. Фуллереновые аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.
Значительное внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в области медицины и фармакологии. Рассматривается идея создания противораковых медицинских препаратов, основой которых будут являться водорастворимые эндоэдральные соединения фуллеренов с радиоактивными изотопами.
Однако, применение фуллеренов ограничивается их высокой стоимостью, которая обусловлена трудоемкостью синтеза фуллереновой смеси, а также многостадийным выделением из нее отдельных компонентов.
Список литературы
1. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C. et al. // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162.
2. Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiroponlos K., Hoffman D.R.// Ibid. 1990. Vol. 347. P. 354.
3. Hebard A.F., Rosseinsky M.J., Haddon R.C. et al. // Ibid. 1991. Vol. 350. P. 600.
4. Allemand P.M., Khemani K.C., Koch A. et al. // Science. 1991. Vol. 253. P. 301.