Углерод в нанотехнологиях

№ слайда

Содержание урока

2

Эпиграф урока

3,4,5

Применение наночастиц и наноматериалов становятся во многих отраслях производства всё более эффективным. В настоящее время исследование наноматериалов стало одним из главных направлений работы многих научных коллективов. Об наночастицах известны давно, ими занимаются в коллоидной химии.

Рассмотрим, что обозначает приставка «Нано». Приставка «нано»(от греч. “nannos” – “карлик”) означает одну миллиардную(10-9) долю какой либо единицы (в нашем случае метра). Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка 1 нанометра.

6

 Рассмотрим определение понятия нанотехнология.

Само название “нанотехнология” состоит из двух терминов – “нано” и “технология”.

Энциклопедический словарь определяет технологию (от греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos”– “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции.

7

Углерод для нанотехнолога не менее важный конструкционный материал, чем сталь для строителей более масштабных конструкций.

Рассмотрим положение атома углерода в периодической системе атомов Д.И. Менделеева.

Углерод находится ровно в середине второго периода таблицы Менделеева и наиболее «склонен» образовывать неполярные связи в отличие от своих соседей справа и слева. Углерод — первый элемент четвертой группы таблицы Менделеева. Его заряд и, соответственно, количество электронов — шесть, тогда как у следующего элемента той же группы, кремния — четырнадцать. Радиус атома углерода 0,07 нм.

При образовании химической связи атомы углерода могут подойти ближе друг к другу. Химическая связь атомов С–С оказывается весьма прочной (в среднем на несколько десятков процентов больше. Представление о прочности связи С–С дает алмаз — самый прочный природный материал, состоящий только из атомов углерода. Значительная прочность связей делает возможным образование длинных цепей соединенных между собой углеродных атомов. Уникальность углерода обусловлена в значительной степени тем обстоятельством, что образуемые им С–С связи прочны и в тех случаях, когда атомы углерода одновременно связаны с другими элементами.

8

В природе издавна были известны две модификации углерода: алмаз и графит . Трудно найти что-либо общее в этих двух веществах, за исключением того, что они составлены из одинаковых атомов.

Однако оказалось, что это еще не все. В 1968 году была открыта еще одна модификация углерода — карбин.

9

При рассмотрении аллотропных модификаций заполняем таблицу.

10

Выступление первого учащегося.

Алмаз (тюрк. алмас, от греч. adamas – несокрушимый). Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая (а = 0,357 нм, z = 4). Кристаллы обычно имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, куба и тетраэдра. Они могут быть бесцветными или окрашенными (в желтый, коричневый, розовато-лиловый, зеленый, голубой, синий и черный цвета), прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными. Для кристаллов характерны сильный блеск, высокий показатель преломления (2,417), люминесценция в УФ, катодных и рентгеновских лучах.

При высокой температуре вакууме или инертной атмосфере, не плавясь, переходит в графит

11

Выступление второго учащегося.

Графит (нем. Grphit), от греч. grapho – пишу), аллотропная модификация углерода, наиб. устойчивая при обычных условиях . Графит – распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллическим графитом, образовавшегося при метаморфизме углей. В кристаллических сланцах содержание графита составляет 3 – 20%, в магматических горных породах 3 – 50%, в углях 60 – 85%.

Кристаллическая структура. Кристаллическая решетка графита гексагональная (а = 0,24612 нм, с = 0,67079 нм, z = 4, теоретическая плотность = 2,267 г/см³). Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях, положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм.

12

Выступление третьего учащегося.

Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² 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 хорошей теплопроводностью . Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Выступление четвертого учащегося.

Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной –С≡С–С≡С–, или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9÷2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР (ИНЭОС). Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.

13

Выступление пятого учащегося.

Одна из форм существования в природе углерода. Обнаружены в 80-х гг. 20 века. Фуллерены обычно представляют собой шарообразные молекулы С60 или молекулы С70, по форме близкие к дынеобразному мячу для регби. Поверхность молекул фуллерена состоит из 5- и 6-и угольников, образованных атомами С (в молекуле С60 двадцать 6-и угольников, в молекуле С70 – тридцать), внутри молекулы полные. Известны фуллерены, молекулы которых имеют более сложную форму (например, полых трубок – тубулены) и состоят из нескольких сотен атомов С. Название фуллерены дано по имени американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, который разработал конструкцию куполообразной крышки, составленной из 5- и 6-угольников, наподобие футбольного мяча.

14

После открытия фуллерена ученые выяснили, что графеновые плоскости могут при определенных условиях сворачиваться в трубки. Эти образования были названы углеродными нанотрубками (УНТ). УНТ – это полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров и длиной порядка десятков микрон. Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость, т. е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Формы углеродных нанотрубок очень разнообразны. Они могут быть одностенными или многостенными (однослойными или многослойными), прямыми или спиральными, длинными и короткими и т. д. Нанотрубки необыкновенно прочны на растяжение и на изгиб. Под действием больших механических напряжений они не рвутся, не ломаются, а просто перестраивают свою структуру. УНТ обладают важными для практического использования свойствами: они способны проводить ток очень высокой плотности, менять свои свойства при присоединении (адсорбции) других атомов и молекул, испускать электроны со своих концов при низких температурах (холодная электронная эмиссия) и т.д. Поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования их свойств, что расширяет область их практического использования.

15

Все в мире известны клинки, сделанные из Дамасской стали, но долгое время не могли открыть секрет прочности. С развитием нанотехнологий секрет был открыт. Добавление при выплавке стали кусочков древесного угля приводит к образованию нанотрубок, что и обеспечивает прочность стали.

16

Закрепление изученного материала

Домашнее задание рассмотреть химические свойства углерода используя материалы параграфа «Углерод» и дополнительную литературу.