Transcript 5-Grupuri-Carbon

Carbonul
Introduction
Carbonul
• Punct
de topire: ~ 3500oC
• Raza atomică: 0.077 nm
• Baza tuturor compuşilor organici
• 10 milioane de compuşi pe bază
de carbon
Alotropie
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
Diamant
Grafit, grafene
Lonsdaleit
Fulerenă C60
C540
C70
Carbon amorf
Nanotub de carbon
grafene
A. Geim
K. Novoselov
Premiul Nobel Fizică 2010
Nanotuburi
S. Iijima 1991
fulerene
R. F. Curl
H.W. Kroto
R. E Smalley 1985
Premiul Nobel Chimie1996
Legături covalente C-C în
hibridizarea sp2
 Hibridizare = Amestecarea orbitalilor atomici, cum ar fi
s şi p, pt. a forma un orbital hibrid utilizat la legătura
covalentă
 Carbonul nu utilizează practic niciodată un orbital s
pur pt. a realiza legătura covalentă
 Carbonul are 3 moduri diferite de hibridizare: sp3, sp2
şi sp.
 sp3: toţi cei trei orbitali p sunt amestecaţi cu orbitalul s
 sp2:numai doi orbitali p sunt amestecaţi.
 sp: numai un orbital atomic p este amestecat cu un
orbital s.
 Notarea spm este o formă prescurtată pt. s1pm.
Diamantul –cristal 3D, transparent, stralucitor,
dur, izolator din punct de vedere electric;
Grafitul - solid negru cu structura
bidimensionala extinsa (în straturi) cliveaza,
conductor electric
Diamantul, cât si grafitul se
topesc la temperaturi extrem
de înalte, peste 3.000 C în
cazul diamantului
Legături covalente
Grafit, grafene,
fulerene, – sp2
Diamant – sp3
Structura cristalină
a grafitului
Richard Errett Smalley
Robert Floyd Curl
Harold Kroto
Fulerena
Cea mai simetrică moleculă descoperită
Epcot center, Paris
~1 nm
Architect: R. Buckminster Fuller
Spectrometru de masă –
clusteri de carbon
R. E. Smalley, Prezentare Premiul
Nobel, 7 Decembrie 1996
Ce sunt fulerenele?
C20
C60
C70
5 Poliedre platonice – feţele sunt poligoane regulate de acelaşi fel
13 Poliedre arhimediene – feţele pot fi poligoane regulate de tipuri diferite
Relaţia lui Euler:
V+F-M=2-2g
Molecula are numai n hexagoane regulate
V=6n/3, F=n, M=6n/2
Obţinem g=1: molecula e echivalentă cu un tor
Molecula are n hexagoane şi m pentagoane
V=(6n+5m)/3, F=n+m, M=(6n+5m)/2
Obţinem g=0 pentru m=12: molecula e
Topologia fulerenei
echivalentă cu o sferă şi este un poliedru
n=20 hexagoane, m=12 pentagoane
convex
V=60 vârfuri, F=32 feţe, M=90 muchii
M=30 muchii hexagon-hexagon 1.355A Fulerenele au întotdeauna m=12 pentagoane
M=60 muchii hexagon-pentagon1.467A şi un număr par de vârfuri C2n+20
V=2n+20, F=n+12, M=3n+30
C20 n=0 m=12
C60 n=20 m=12 fără pentagoane adiacente
C70 n=25 m=12
Există şi fulerene cu p heptagoane. Atunci
acestea au m=12+p pentagoane.
V=(6n+5m+7p)/3, F=n+m+p, M=(6n+5m+7p)/2
V=2n+20+4p, F=n+12+2p, M=3n+30+6p
C68 n=20 m=13 p=1fără pentagoaneadiacente
C60
Simetria fulerenei, #1 nr. minim de vârfuri pt. fulerena cu simetria dată
#2 nr. minim de vârfuri când fulerena nu are două pentagoane adiacente
(e o condiţie care măreşte stabilitatea moleculei)
icosaedru
Icosaedru trunchiat
1 simetrie Id
24 simetrii C5
20 simetrii C3
15 simetrii C2
În total 60 simetrii care formează grupul A5 sau icosaedral I
Grupul icosaedrului trunchiat Ih (sau A5 x C2) are şi o inversie astfel că avem
în total 60x2= 120 simetrii
Fulerena C60 - pulbere galbenă, fotosensibilă (îşi
schimbă culoarea sub acţiunea radiaţiilor UV
medii), se dizolvă în toluen formând o soluţie roz.
Sub acţiunea radiaţiilor laser polimerizează.
Prin încălzire la câteva sute de grade sublimează
distrugerea moleculei necesitând temperaturi mai
mari de 1.000 C.
Prin răcire la –183 C formează un solid cristalin
cu reţea cubică, izolator ca diamantul, numit
fulerită. Legaturile dintre moleculele C60 din
cristal sunt slabe (legături Van der Waals), iar
încălzirea lentă face ca cristalele să se
dezmembreze parţial, cu alte cuvinte “să curgă”.
Fulerită
Compuşii fulerenelor cu metale alcaline A3C60
Superconductibilitate extrem de ridicată pt.
compuşi organici
- K3C60: 19.2 K
- RbCs2C60: 33 K
Fulerenele cu elemente în interior –
Compuşi endohedrici M@C60 cum ar fi
N@C60 and La@C82
Cu elemente în exterior – compuşi exohedrici
C82(OH)n
Cu elemente în interior şi exterior
Gd@C82(OH)n
Yasuhiro Shirai, Jean-François Morin,
Takashi Sasaki, Jason M. Guerrero
and James M. Tour "Recent progress
on nanovehicles", Chem. Soc. Rev.,
2006, 35, 1043-1055
Yasuhiro Shirai, JeanFrançois Morin, Takashi
Sasaki, Jason M. Guerrero
and James M. Tour
"Recent progress on
nanovehicles", Chem. Soc.
Rev., 2006, 35, 1043-1055
Nanotuburi
23
Nanotuburi
Descoperite de S. Iijima în 1991
Cilindrul intern are un diametru de la 1 la 50 nm
Are o lungime de la 100 nm până la câţiva
micrometri sau chiar mai mult
Pot să aibe un singur strat
(single walled) şi se numesc
SWNT sau să aibe mai
multe staturi şi se numesc
MWNT.
24
Nanotuburi
Vectorul faţă de care se rulează
planul (grafena) şi se obţine
cilindrul (nanotubul:
Ch=na1+ma2
Nanotuburi
Conductanţa electrică depinde de helicitate:
Ch=na1+ma2
dacă
2n  m
i
3
atunci e metalic
altfel e semiconductor
Nanotuburi
Sunt cel mai puternic material cunoscut
• Modulul lui Young:
Nanotuburi carbon
Fibre carbon
Oţel
1250 GPa
425 GPa (max.)
200 GPa
• Tensiunea de rupere
Nanotuburi carbon
Fibre carbon
Oţel
11-63 GPa
3.5-6 GPa
2 GPa
• Elongaţia până la rupere: ~ 20-30 %
• Densitate:
Nanotuburi carbon(SW) 1.33 – 1.40 gram / cm3
Aluminiu
2.7 gram / cm3
Grafene
Grafene -la tensiuni mecanice se deformează, dar este rezistentă la rupturi
– legături covalente puternice, nu există defecte de reţea
conductibilitatea electrică este cea mai bună dintre materialele cunoscute
Carbonul are 6 electroni, 2 sunt
electroni legaţi, iar 4 sunt electroni
de valenţă: – unul este pe orbitalul
2s şi trei pe orbitalii 2p
Un singur orbital 2s şi doi orbitali 2p
hibridizează formând trei legături σ
în planul x-y. Acestea participă la
legătura covalentă puternică din
grafenă şi nu contribuie la
conductivitatea sa. Formează
banda σ şi σ* (roşu).
Orbitalul rămas 2pz ( orbitalul π)
este perpendicular pe planul x − y.
Contribuie la banda π de valenţă şi
π* de conducţie (albastru)
Grafenele sunt semiconductoare
fără bandă interzisă
Vecinii de ordinul I
Vecinii de ordinul II
pt. k=K+q
Purtătorii de sarcină în grafene
(pseudo-electronii de conducţie)
au viteze relativiste c/300 (c –
viteza luminii), mult mai mari ca
electronii de conducţie obişnuiţi
(nerelativişti)
Purtătorii de sarcină în grafene
verifică ec. lui Dirac (1921) pt.
particule cu spin şi fără masă
1.Tunelarea clasică
E<Ebariera
Nu avem tunelare
2.Tunelarea cuantică
nerelativistă
E<Ebariera
Avem tunelare dar depinde
de grosimea şi înălţimea
barierei
3.Tunelare cuantică relativistă
Paradoxul lui Klein
E<Ebariera
Probabilitatea este de 100%
Particula se cuplează cu
antiparticula pt. care lumea
apare inversată (bariera
care frânează particula o
percepe ca pe o vale care o
accelerează). După barieră
particula se decuplează de
antiparticulă
La aplicarea unui câmp electric extern E grafenele se comportă ca un semiconductor
dopat-p sau dopat-n după cum se schimbă sensul lui E. Grafenele în câmp electric nul
se comportă ca un semiconductor nedopat (intrinseci) şi au rezistenţa mai mare.
Cea mai mare mină de diamante Rusia, Siberia de Est
diametrul – 1250 m
adâncime 525 m.
Diamante renumite
Cullinan 3106 carate; găsit în 1905, în
Africa de Sud, deocamdată este cel
mai mare diamant natural; după
prelucrare, s-au obţinut 105 pietre
mai mici.
Excelsior 995,20 carate, a fost descoperit in 1893 tot în Africa
de Sud; prin prelucrare, s-au obţinut 22 nestemate.
Star of Sierra Leone are 968,90 carate, a fost descoperit în
1972 în Sierra Leone; prin prelucrare, din el s-au obţinut 17
pietre.
Incomparable 890 carate, a fost descoperit în 1980 în Congo;
după prelucrare are 407,5 carate
Koh-i-Noor 105 carate, legenda spune că a fost descoperit
acum 3000 înainte erei noastre, în India; deci este cel mai
vechi diamant cunoscut;