Аллотропные соединения углерода

Фуллерены и углеродные нанотрубки представляют собой одну из аллотропных форм углерода в виде своеобразных «каркасных», полых структур (рис. 4.1, 4.2). Их свойства и возможности использования настолько разнообразны и перспективны, что по этой тематике ежегодно публикуется более тысячи научных статей и обзоров.

Многие элементы и химические соединения могут существовать в виде разных кристаллических структур (модификаций), которые иногда существенно отличаются по свойствам. Это явление называется аллотропией (от греч. allos - иной и tropos - поворот). Например, железо имеет три кристаллические модификации (α-, β- и γ-железо), а лед - двенадцать (по некоторым данным - четырнадцать). У важнейшего для жизни на Земле элемента углерода до недавнего времени были известны три аллотропные формы. Две из них широко известны, это алмаз и графит. Третья модификация углерода - карбин - открыта в России в 1960 г.

Углерод расположен в IV группе таблицы Менделеева и, соответственно, имеет 4 электрона на внешней оболочке. Известно, что атомы углерода могут находиться в трех основных состояниях, соответствующих разным типам гибридизации их валентных орбиталей. При sp³ - гибридизации все четыре ковалентные связи атома с соседями равноправны и одинаково ориентированы в пространстве. Так формируется структура алмаза, в которой каждый атом углерода расположен в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого находятся четыре ближайших атома (рис. 4.3, а).

Другая аллотропная форма углерода - графит - имеет sp²-гибридизацию. Атомы углерода в кристаллической структуре графита также связаны между собой прочными ковалентными связями длиной 0,142 нм и формируют шестиугольные кольца, образующие прочную и стабильную сетку (рис. 4.3, б) Слои располагаются друг над другом на расстоянии 0,335 нм, существенно дальше, чем соседние атомы углерода в слое.

Соответственно слои связаны между собой слабым ван-дер-ваальсовым притяжением. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твёрдость и способность легко расслаиваться. Поэтому грифель карандаша оставляет след на поверхности бумаги, и графит используется в качестве смазки.

Структура карбина с sp-типом гибридизации изображена на рисунке 4.3, в. Карбин можно получить при облучении лазером пирографита (разновидность графита) в виде белого углеродного осадка на его поверхности. Кристалл карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с двойными г и язями (=С=С=С.) или с чередованием одинарных и тройных связей (-С≡С-С≡С-...).