Modely modifikací uhlíku
Grégr Jan, Slavík Martin, Jodas Bořivoj, Exnar Petr Katedra chemie FP, Technická Univerzita v Liberci
Uhlík nám dává: Nejpevnější a nejtvrdší materiál – diamant Nejlepší lubrikant – grafit Nejlepší adsorbent plynů – aktivní uhlí Nejlepší heliovou bariéru – skelný uhlík Nejpevnější vlákna – vlákna uhlíková Nové objevy jako jsou molekuly fullerenů, nanotrubice atd.
Nejnovější objevy a využití modifikací uhlíku 1985 1990 1991 1992 1993 1995 2001 2002 2002 2003 2003 2004
objev molekuly fullerenu objev supravodivosti K3C60 objev nanotrubic (S. Iijima) průmyslová výroba CVD diamantu výroba nanotrubic ve velkém (Bethme) uhlíkové anody pro lithiové dobíjecí články monokrystaly z uhlíkových nanotrubic objev uhlíkových nanopěn použití diamantu na polovodivé součástky použití fullerenů v medicíně tranzistor z uhlíkových nanotrubic vlákno v žárovce z uhlíkových nanotrubic
Z předchozích důvodů je vhodné znát strukturu jednotlivých modifikací uhlíku
Na základě znalosti struktury můžeme nejen pochopit vlastnosti jednotlivých modifikací uhlíku, ale můžeme také aplikovat představy o vlivu struktury na vlastnosti jiných látek, nebo můžeme využít tyto modelové struktury pro rozvoj prostorového vnímání v chemii
Modely struktury modifikací uhlíku můžeme tvořit pomocí molekulárních stavebnic. Pro fullereny a nanotrubice byly vyvinuty i modely lepené z papíru (K. Kolář BCHZ), nebo drátěného pletiva.
Schémata pro papírové modely fullerenů
C60
C70 dc2.uni-bielefeld.de/dc2/fullerene/full_16.htm
Další schémata pro papírové a drátové modely
Molekulové modely – Stavebnice 1 VD DISK Říčany
Modely ze stavebnice MolyMod
Další informace: www.molymod.com/
Nejvýhodnější pro hledání symetrií, odhady vlastností atp. jsou samozřejmě počítačové 3D modely. Jejich tvorba vyžaduje prostorovou představivost zpracovatele, většina software však pomůže odstranit chyby v postupech. Nejlepších výsledků jsme dosáhli při využití nejjednodušších freeware „kreslítek“ ACD ChemSketch v kombinaci s dalšími software, kam byly kresby exportovány jako *mol file. Zajímavé je také modelové zamyšlení nad vznikem jednotlivých modifikací z pohledu uplatnění typů vazeb mezi uhlíkovými atomy.
Vývojový diagram modifikací uhlíku fulleren, nanotrubice
grafit ovalen
corannulen
polyacetylen fluoren anthracen benzen 1,3-butadien sp2+π propen
1-buten-3-yn
C sp+2π
sp3
butadiyn
propan adamantan
polyyny karbyny kumuleny
propyn
diamant
Diamantová struktura
Struktura diamantu pomocí ChemSketch + ViewerLite
Zvýraznění tetraedrického uspořádání diamantu
Různé pohledy na vrstvy diamantové struktury
Postup při kreslení fullerenů Sestavíme plošný (Schlegelův) diagram C60, včetně správného umístění dvojných vazeb a provedeme optimalizaci struktury
Jednodušší postup při kreslení fullerenů Nakreslíme objekt C30, uděláme si jeho kopii a oba obrazce „sešijeme“ vazbami
Výsledný objekt optimalizujeme
C72
C96
C162
C144
C120
C80
Postup při kreslení nanotrubic Nakreslíme si grafenový pás,
propojíme okrajové uhlíky vazbami,
optimalizujeme, upravíme dvojné vazby a optimalizujeme
Kreslení nanotrubic a nanorohů Postupné přidávání „vrstev“ k základnímu skeletu, je zřejmé z následujících obrázků:
C160
C170
C384
C400 Software ACD ChemSketch + ChemSite Pro
Další možnosti zobrazení nanotrubic
Grafitové „nanorohy“ modelované v ChemSketch + ViewerLite
Software, autor Steffen Weber: jcrystal.com/steffenweber/
nanorohy – nanocone – nanohorns
Grafenové pásy
Software, autor Steffen Weber: jcrystal.com/steffenweber/
σ– a π–vazby v C60 C24 a C20
Software ACD ChemSketch + ChemSite Pro
C60 - HOMO
C60 - LUMO
kresleno v demoware Diamond Demonstration 2.1e dostupném na www.crystalimpact.com/diamond/download.htm
kresleno v demoware Diamond demonstration 2.1e dostupném na www.crystalimpact.com/diamond/download.htm
Další možnosti zobrazení struktury grafitu
Modely „graphynů“ a GNT – graphynových nanotrubic
Modely „graphynů“ a GNT – graphynových nanotrubic
Poděkování Příspěvek byl zpracován s podporou Výzkumného centra Textil LN00900
Děkuji za pozornost a přeji všem hezký den Jan Grégr
[email protected]
