Интегрированное заседание предметных кружков по химии и математике «Этот удивительный углерод»

Интегрированное заседание предметных кружков по химии и математике

ЭТОТ УДИВИТЕЛЬНЫЙ УГЛЕРОД

Преподаватель химии: Уважаемые друзья! Открываем заседание кружка, посвященное научной проблеме существования аллотропных модификаций углерода.

Когда из атомов одного элемента образуются несколько простых веществ, их молекулы могут различаться не только числом атомов, но и тем, как атомы располагаются в молекуле один относительно другого. Все эти обстоятельства и обуславливают то, что подчас один и тот же элемент может существовать в разных формах, или, как говорят в различных аллотропных модификациях.

Посмотрим на периодическую таб­лицу - этот многоэтажный, многоквартир­ный дом, заселенный самыми разными по характеру жильцами - химическими эле­ментами.

Углерод живет в самой середи­не дома. На внешнем слое его атома четыре электрона, и ему все равно: отдавать их или принимать. Вот и получается, что углерод с одинаковой симпатией относится ко всем своим соседям, а также, и это главное, к другим атомам углерода. Когда образуется связь между двумя атомами, пара электронов стано­вится для этих атомов общей. Каждый атом углерода предоставляет четырем своим колле­гам по одному электрону. Те при образовании связи добавляют по одному своему. Вот поче­му возможна ситуация, когда каждый атом углерода связан с четырьмя другими.

Каждый атом углерода связы­вается с четырьмя такими же атомами, при этом все они располагаются вокруг перво­го на равных расстояниях по углам тетра­эдра, как атомы в молекуле метана. Расстоя­ние это составляет 0,154 нм. И так упакова­ны миллиарды и миллиарды атомов. Что же получается?

Получается алмаз - одна из аллотропных модификаций углерода.

Обучающийся 1: Отрывок из книги И. Ефремо­ва «Алмазная труба»:

«На белом листе рассыпались мелкие кри­сталлы - столбчатые, призматические, мно­гоугольные - красного, бурого, черного, го­лубого, зеленого цветов. Это были сопутствующие алмазу ильменит, пироксен, оливин и другие стойкие минералы. А среди них, по­добно кусочкам стекла, и все же не сходные с ним своим сильным блеском, выделялись мелкие кристаллы алмазов. Здесь были бе­лые, чистой воды камни, были и покрытые шероховатой бурой корочкой. Некоторые кристаллы имели розоватый или зеленый оттенок ... Чурилин отделил спичкой зеленый двенадцатигранник. Этот вид алмаза отличается необыкновенной даже для этого камня твердостью».

В озможно, когда-нибудь будут синтезиро­вать полимерные вещества, состоящие из атомов углерода, образующих связи с дру­гими атомами в тетраэдрических направле­ниях. Кирпичиком для таких построений может служить молекула адамантана - уг­леводорода, найденного в нефти. Атомы уг­лерода в его молекуле располагаются друг относительно друга точно так же, как в кри­сталлической решетке алмаза (отсюда и на­звание: от греч. адамас - алмаз). Разница только в том, что в адамантане каждый атом углерода связан еще и с атомом водорода (на рисунке не показаны):

Попытки искусственного получения ал­маза - самого твердого из веществ - пред­принимались еще в XIX в.: уж больно заман­чивой казалась идея. Обычно исследователи нагревали до высокой температуры различ­ные соединения углерода. Иногда удавалось выделять какие-то прозрачные твердые кри­сталлы, но потом оказывалось, что они име­ли мало общего с природным алмазом. И только в 1955 г. американский исследова­тель Ф. П. Бэнди с сотрудниками после вось­милетних экспериментов впервые получил несколько миллиграммов настоящих алма­зов. Искусственные алмазы были синтезиро­ваны из графита нагреванием его до 2500 оС при давлении 50 000 атм.

Преподаватель химии: Алмаз - природная моди­фикация углерода - очень твердое вещест­во. А какая модификация углерода представ­ляет собой мягкое вещество?

Обучающийся 2: Конечно, это графит, который, как и алмаз, является одной из природных модификаций углерода. В кристаллической решетке графита атомы углерода упакованы совсем иным способом. В алмазе атомы уг­лерода образуют пространственную трех­мерную решетку, в графите - плоскую двух­мерную сетку.

В этой сетке атомы располагаются так, что образуют правильные шестиугольники. Рас­стояние между атомами меньше, чем в алма­зе, - 0,142 нм. Такие слои сложены один на другой, как в слоеном пироге, и расстояние ме­жду слоями достаточно большое - 0,342 нм. Поэтому слои легко отстают друг от друга, что и обусловливает мягкость графита - он лег­ко крошится, оставляет след на бумаге (при­меняется для изготовления карандашей).

Раньше уголь (древесный, животный, сажу) считали особой модификацией углерода ­называли ее аморфным углеродом. Однако сейчас установлено, что так называемый аморфный углерод состоит из мелких кри­сталликов графита.

Одно из специфических свойств угля описано в сказке «Мороз Иванович»: «Между тем Рукодельница ворожится, , воду процедит, в кувшины нальет, да еще какая затейница: коли вода нечиста, так свернет лист бумаги, наложит в нее уголь­ков да песку крупного насыплет, вставит ту бумагу в кувшин да нальет в нее воды, а вода-то знай проходит сквозь песок да сквозь уголья и капает в кувшин чистая, словно хрустальная» .

Преподаватель химии: Давайте и мы попробуем очистить воду с помощью угля.

Опыт. Адсорбция. В пробирку с водой добавляют краситель. Затем проводят фильтрование через уголь. Уголь - адсорбент, вбирает в себя красители, газы. В результате цвет смеси исчезает.

Обучающийся 3: Обе природные формы углерода - алмаз и графит - могут переходить друг в друга.

При низком давлении более устойчив гра­фит и, наоборот, при высоком давлении ­алмаз. Если графит очень сильно сжать, он начинает перестраиваться в алмаз. Но при комнатной температуре этот процесс идет медленно (не завершится и за миллиарды лет). Однако если графит нагреть до темпе­ратуры несколько тысяч градусов, скорость превращения резко увеличивается. Вот поче­му сейчас искусственные алмазы получают из графита в таких экстремальных условиях.

Алмаз тоже может превратиться в графит, но при комнатной температуре этот переход протекает крайне медленно. А при нагрева­нии алмаза без доступа воздуха до темпера­туры выше 1000 оС он довольно быстро пе­реходит в графит. Разумеется, такой процесс имеет только теоретическое значение, полу­чать графит из алмаза никто не собирается.

Если нагреть алмаз или графит на возду­хе, они будут вести себя одинаково - сгорят с образованием углекислого газа.

Преподаватель химии: А известен ли ответ на вопрос: «Почему уголь черный?»

Обучающийся 4: Элементарная едини­ца графита - шестичленное кольцо, напо­минающее молекулу бензола. Если соединить на плоскости бесчисленное множество моле­кул бензола, мы и получим слой графита.

Возьмем молекулу бензола и будем после­довательно присоединять к ней все новые и новые шестиугольники таких же молекул. Нафталин, антрацен, тетрацен ...

По мере увеличения числа колец возрас­тает температура плавления углеводородов. В пределе, т. е. для графита, температура плавления составляет 3500 оС.

С увеличением количества бензольных циклов углубляется окраска углеводородов. Так, если нафталин и антрацен - вещества бесцветные, то тетрацен - желтый, пентацен и гексацен - синие соединения.

Чем определяется окраска вещества? Бе­лый солнечный свет, падающий на вещест­во, состоит из лучей разных цветов, которые имеют определенную энергию. Наибольшую энергию несут лучи фиолетового цвета, наи­меньшую - красные и желтые. Вещество взаимодействует с лучами падающего света и поглощает их, но не все, а только волны определенной энергии.

Если в молекуле мало двойных связей, то она способна поглощать только лучи, обла­дающие большой энергией. Так, нафталин и антрацен вообще не поглощают видимые лучи (бесцветны), а тетрацен поглощает лучи фиолетового и синего цвета. Но если из бе­лого света вычесть лучи фиолетового и си­него цвета, останутся лучи зеленого, желто­го, оранжевого и красного цвета. Вот поэто­му тетрацен имеет желтую окраску. В моле­куле пентацена значительно больше двой­ных связей, она способна взаимодействовать с лучами малой энергии, т. е. с желтыми и красными, поглощать их. Поэтому пентацен окрашен в синий цвет.

В огромной полимерной структуре гра­фита бесчисленное количество двойных свя­зей: графит поглощает весь падающий на него свет, а такие вещества окрашены в чер­ный цвет.

Преподаватель химии: Решетка алмаза трехмер­ная, решетка графита двухмерная. А нельзя ли построить такую полимерную форму уг­лерода, в которой атомы были бы вытянуты в нить, располагались по прямой линии, т. е. чтобы молекула была одномерной?

Обучающийся 5: Эта идея давно уже привлека­ла химиков. Если для объемной алмазной формы прародитель - метан, для плоской графитной - бензол, то для линейной фор­мы лучше ацетилена ничего не придумаешь. Надо соединить в одну цепочку много моле­кул ацетилена:

-с=с-с=с-с=с-с=с-с=с-с=с-с=с-

Еще в XIX в А. Байер получил вещество, молекулы которого состоят из четырех аце­тиленовых фрагментов, и обнаружил, что оно чрезвычайно неустойчиво. Правда, мож­но было надеяться, что, если цепь будет со­стоять не из четырех, а из тысяч ацетилено­вых звеньев, она будет вполне устойчивой. Но как получить такую цепочку?

Решить проблему удалось в начале 60-х гг. ХХ в. группе советских ученых. Ацетилен пропускали в раствор соли меди, атомы меди замещали атомы водорода в молекуле ацети­лена. Образовавшиеся таким образом ацети­лениды меди окисляли водным раствором хлорида железа (Ш). При этом и происходи­ло связывание отдельных ацетиленовых звеньев в длинную нить. Продукт очищали от различных примесей кипячением во фторо­водородной кислоте.

В результате был получен порошок чер­ного цвета с вкраплением отдельных более крупных частиц со стеклянным блеском. Это вещество назвали карбином (от лат. карбонеум - углерод, а суффикс -ин указывает на наличие тройных связей в веществе). Карбин оказался веществом, химически весьма инертным. Он не присоединяет при комнат­ной температуре хлор и бром и только при 400-500 оС разрушается хлором. При нагре­вании в токе аргона до 2800 оС карбин пре­вращается в графит.

Исследования карбина различными фи­зическими методами показали, что кристал­лы этого вещества помимо полиацетилено­вых цепей

-с=с-с=с-с=с-с=с

содержат так называемые поликумуленовые цепи:

=с=с=с=с=с=с=с=

Длина их колеблется от 50 до 250 нм, т. е. молекулу образуют до двух тысяч атомов.

Интересными оказались физические свойства карбина. Он является полупровод­ником, а при облучении светом его прово­димость резко возрастает. Это позволяет на­деяться на широкое применение карбина в практике.

Таким образом, ученым удалось дополнить природу - создать то, что ей оказалось не по силам. За синтез карби­на сотрудники Института элементоорганиче­ских соединений Академии наук СССР и Ин­ститута горючих ископаемых удостоены ди­плома об открытии.

«Диплом 107 (заяв­ка от 6 ноября 1968 г).

Авторы открытия: А М. Сладков, В. В. Кор­шак, Ю. П. Кудрявцев, В. И. Касаточкин.

Название открытия. Явление существо­вания новой кристаллической формы угле­рода - карбина.

Из формулы открытия. Научное значе­ние открытия состоит в том, что обнаруже­ние третьей аллотропной модификации уг­лерода создает теоретические основы струк­турной химии углерода. Кроме этого, откры­тие дает возможность для рациональной химической классификации многообразных углеродных веществ и широко используемых углеродных материалов, таких, как углерод­ные волокна, пирографит, стеклоуглерод и др. Открытие позволяет разрабатывать спо­собы получения новых, значительно обугле­роженных продуктов с ценными физико-­химическими свойствами, например поли­мерных светочувствительных материалов, сверхпрочных волокон, термостойких материалов, стабильных резисторов, полупровод­никовых материалов и пр.».

Преподаватель химии: Алмаз, графит, карбин ... А нельзя ли еще какую-нибудь форму придумать? Если гово­рить о полимерных модификациях, то тут, пожалуй, возможности и природы, и вообра­жения исчерпаны.

Н о ведь, наверное, можно построить не полимерную, не бесконечную молекулу, со­стоящую из атомов углерода, ведь атомы это­го удивительного элемента могут соединять­ся между собой простыми, двойными и трой­ными связями, они способны образовывать цепи, кольца. Одним словом, вариантов тьма ...

В конце прошлого века были получены новые формы углерода – молекулы С60 и С70 и некоторые другие. Такие молекулы названы фуллеренами в честь американского изобретателя и архитектора Фуллера.

Эти молекулы представляют собой многогранники, образованные пяти- и шестиугольниками.

Со времени их открытия в 1985 г. сферические молекулы углеро­да, чаще всего называемые фуллеренами, остаются одним из инте­реснейших явлений химии. Основным методом их получения сегод­ня является лабораторный синтез, хотя есть сведения об обнаруже­нии фуллеренов в природе (минерал шунгит содержит до 0,1 % фуллеренов). Помимо разнообразных перспектив применения фул­леренов (сверхпроводники, носители информации со сверхвысокой плотностью записи, сырье для производства алмазов, медицина), их молекулы интересны сами по себе, так как дают богатейший мате­риал для исследования разных видов симметрии.

Преподаватель математики: В самом общем виде фуллерен представляет фигуру вращения ­сфероид из многогранников двух видов: шестигранников (гексагонов) и пятигранников (пентагонов). Вершинами всех многогранников яв­ляются атомы углерода. Поверхность сфероида, составленного из многогранников, подчиняется формуле Эйлера:

Nn(6 - n)= 12, (1)

где Nn- число n-гранников, образующих сфероид. Применительно к фуллеренам эта формула принимает вид:

N 5 (6 - 5) + N6(6 - 6) = 12, (2)

где N5 и N6 - числа пентагонов и гексагонов соответственно. Из форму­лы (2) ясно, что фуллерен должен содержать 12 пентагонов и произ­вольное число гексагонов. Действительно, все полученные или смоделированные фуллерены имеют 12 «обязательных» пятиугольников. В зависимости же от количества гексагонов состав сферических моле­кул может быть разным. Простейший фуллерен теоретически имеет формулу С20 и состоит только из 12 пентагонов, образующих правиль­ный многогранник - додекаэдр. Однако ввиду неустойчивости такой молекулы выделить фуллерен-20 практически не удавалось. Согласно существующим воззрениям на структуру фуллеренов устойчивыми могут быть только те из них, в которых 12 «обязательных» пентагонов разделены гексагонами и не имеют между собой общих вершин или ребер. Наиболее исследованный фуллерен С60 имеет форму усечен­ного икосаэдра и по внешнему сходству с футбольным мячом чаще называется футболереном. Молекула С60 содержит 32 грани (в том числе 12 пентагонов и 20 гексагонов). Высшие фуллерены (напри­мер, С78 или С80) допускают разный порядок «выкладывания» по­верхности пентагонами и гексагонами при сохранении их общего числа и принципа изоляции пентагонов, т. е. имеют изомеры. Для анализа таких молекул используются разные формы отображения их структур: от изометрической проекции трехмерной модели на плос­кости до линейной записи порядка чередования многогранников. К при­меру, фуллерен С82 с симметрией С2у в линейной записи выглядит так: 5666665665656566656666666566656565665666665.

Проще всего исследовать фуллерены по их моделям, которые не­трудно склеить из бумаги. Один из методов бумажного моделирования разработал Дж. Битон из университета Келлингтона (США). На рисунке приведены плоскостные развертки трех самых известных фуллеренов:

С60 (футболерен), С70 (напоминающий мяч для регби) и С84 (напомина­ющий мяч для бейсбола, причем для наглядности нанесен даже шов мяча). В обозначении разверток фуллеренов, например С70- D2h, снача­ла указан состав изомера (С70), а затем тип симметрии (D2h). Для удоб­ства анализа модели на развертках жирными линиями показаны ребра, общие только для гексагонов.

При склеивании трехмерной модели развертка сначала увеличива­ется так, чтобы длина ребер многогранников составляла 2-3 см. Затем развертка обрезается по периметру. Гексагоны с цифрой «5» выреза­ются со стороны вершины, помеченной точкой (при этом прорезается ведущее к ней ребро), и удаляются. Гексагоны с буквой «Т» являются язычками для склеивания. Соседний с язычком шестигранник смазы­вается с нижней стороны клеем, совмещается с язычком и наклеивает­ся на него. Операция последовательно повторяется по всему периметру развертки по числу язычков. При этом на месте вырезанных гекса­гонов с цифрой «5» образуются «окна» пятиугольной формы (пентаго­ны). Собранная таким образом модель фуллерена состоит из чередую­щихся «сквозных» пентагонов (их будет обязательно 12) и «плотных» гексагонов. Такую модель удобно исследовать и снаружи, и изнутри (через «окна»). Вершины склеенного многогранника соответствуют атомами углерода, а ребра - химическим связям между ними.

Бумажные модели являются незаменимым пособием для изуче­ния структур фуллеренов. При исследовании симметрии молекулы дос­таточно проткнуть бумажную модель спицей вдоль оси симметрии или наметить фломастером контур сечения плоскостью симметрии. Кроме того, бумажные развертки могут послужить материалом для самосто­ятельной работы обучающихся, а изготовленные из них модели станут пре­красным наглядным пособием и украсят кабинет химии.

Преподаватель химии: В последние годы в органической химии стал модным синтез различных углеводородов, соответствую­щих геометрическим пространственным фигурам:

На рисунках черные точки - атомы угле­рода; к каждому присоединен один, а в конгрессане - один или два атома водорода.

Собственно говоря, если взять, например, фуллерен и присоединить к двойным связям молекулы водорода, получатся очень инте­ресные шарообразные углеводороды. Но это дело будущего.

Да, действительно, это дело будущего. И на этой оптимистической ноте мы закрываем заседание нашего кружка.