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 objev molekuly fullerenu 1990 objev supravodivosti K 3 C 60 1991 objev nanotrubic (S. Iijima) 1992 průmyslová výroba CVD diamantu 1993 výroba nanotrubic ve velkém (Bethme) 1995 uhlíkové anody pro lithiové dobíjecí články 2001 monokrystaly z uhlíkových nanotrubic 2002 objev uhlíkových nanopěn 2002 použití diamantu na polovodivé součástky 2003 použití fullerenů v medicíně 2003 tranzistor z uhlíkových nanotrubic 2004 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 C 60 C 70 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 corannulen ovalen fluoren anthracen polyacetylen benzen 1,3-butadien sp 2 +π propen 1-buten-3-yn C sp+2π butadiyn sp 3 propan polyyny adamantan karbyny propyn diamant kumuleny
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 C 60, včetně správného umístění dvojných vazeb a provedeme optimalizaci struktury
Jednodušší postup při kreslení fullerenů Nakreslíme objekt C 30, uděláme si jeho kopii a oba obrazce sešijeme vazbami Výsledný objekt optimalizujeme
C 72 C 96 C 162 C 144 C 120 C 80
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:
C 160 C 170 C 384
C 400 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 C 60 C 24 a C 20 Software ACD ChemSketch + ChemSite Pro
C 60 -HOMO C 60 -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 jan.gregr@vslib.cz