Карбин

Карбин — одна из аллотропных модификаций углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов.

Свойства карбина

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками А. М. Сладковым, Ю. П. Кудрявцевым, В. И. Касаточкиным и В. В. Коршаком, в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР . Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.

Немного истории

‎ В чистом виде углерод встречается в двух отличающихся формах: в виде алмаза и графита.

В 1960 году карбин был синтезирован А. М. Сладковым, Ю. П. Кудрявцевым, В. И. Касаточкиным и В.В. Коршаком в стенах Института элементоорганических соединений в Москве и названо им карбин. Ему было не известно, что, обладая уникальными свойствами, это искусственно созданное вещество заинтересовало весь мир и началось его практическое использование в разных областях жизнедеятельности человека, например, в медицине и электронике.

В 1968 году американские ученые, А. Эль Гореси и Г. Донней, исследуя образцы метеоритного кратера (ФРГ, Бавария), деминерализовали их обработкой различными кислотами. В нерастворимом концентрате это был графит. Учёные обнаружили в нём вкрапления неизвестного вещества серебристо-белого цвета —углерода. Оптические свойства вещества абсолютно не были похожи на свойства природного алмаза или искусственно полученной его кристаллической модификации – лонсдейлита. Обнаруженное вещество оказалось новой аллотропной формой углерода (“белого углерода”), что было подтвердило исследованием его с помощью рентгенографии. Учёные пришли к выводу, что эта форма углерода образовалась из графита в результате падения метеорита под воздействием высокой температуры и давления.

Авторское свидетельство на способ получения карбина Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР была зарегистрировано как открытие с приоритетом 1960 года лишь 7 декабря 1971 года. Т.е. спустя одиннадцать лет после серии успешных опытов. Потребовалось одиннадцать лет ожидания , чтобы сломить недоверие к открытию, опровергающему мировые авторитеты. Часто в научной литературе имеют место публикации, заявляющие о синтезе новой кристаллической формы или аллотропной модификации углерода. Карбин

В подверждении этому в 1985 году, например, было совершено открытие большого семейства сферообразных углеродных молекул, названных фуллеренами. Данное открытие дало новый толчок исследованиям во всем мире в области углерода и его аллотропных форм. Авторам очередного открытия – группе американских ученых – принесло в 1996 году Нобелевскую премию. Всё это не означает ли, что, будучи первооткрывателем этих новых форм углеродных молекул, российский ученый имеет все основания на право претендовать, больше того, получить за своё выдающееся открытие КАРБИНА Нобелевскую премию!?

Структура карбина

Зигзагообразное строение углеродных цепочек -a и -b карбине

‎‎При использовании высокоэнергетических методов исследований возможен переход карбина в другие формы углерода. При этом представления о структуре карбина длительное время были несовершенством.

Авторы открытия карбина пришли к модели его кристаллической структуры в виде совокупности цепочек кумуленового или полиинового типа, упакованных в кристаллы за счет вандерваальсовых сил. Цепочки предполагали прямолинейными, т.к. каждый атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации.

При полном отсутствии химических межмолекулярных сшивок между цепочками изначально получается постулированный карбин, т.е. совокупность химически не связанных прямолинейных цепочек. Поэтому параметр c кристаллической ячейки должен иметь два значения для исследуемого карбина соответственно – 2,9 и 1,3 . Реальные же значения этого параметра изменялись от 7,68 до 15,36 .

Это несоответствие было устранено Р.Хайманном, который предположил, что внутри цепочек есть зигзаги, причем углы этих зигзагов равны 120°, а расстояния между ними (длина прямой части цепочки) определяются статистически. Зигзаги в цепочках завершают период идентичности в кристалле. Скорее всего, в реальных объектах отдельные углеродные цепочки сшиты друг с другом, причем сшивки расположены с определённой частотой и периодичностью и протяженность линейных фрагментов разная.

В настоящее время установлено, что структура карбина действительно образуют атомы углерода, собранные в цепочки двойными связями (-карбин) или чередующимися одинарными и тройными связями (-карбин). Полимерные цепочки имеют химически активные концы ( несут локализованный отрицательный заряд) и имеют изгибы с цепочечными вакансиями, где цепочки соединяются между собой за счет перекрывания -орбиталей атомов углерода.

Важное значение для образования сшивок имеет присутствие примесей металлов, как Fe, K. Доказательством присутствия зигзагов в линейной углеродной цепочке было получено в теоретической работе Коршака: результаты его расчета хорошо согласуются с экспериментальным ИК-спектром карбина.

В результате последующих исследований структуры кристаллического карбина была предложена модель элементарной его ячейки. Согласно этой модели элементарная ячейка карбина составлена параллельными цепочками углерода, которые имеют зигзаги и в результате чего ячейка становится двуслойной. Толщина одного слоя цепочки состоит из шести атомов углерода. В нижнем слое цепочки атомы плотно упакованы и расположены в центре и по углам гексагона, в то время как в верхнем слое центральная цепочка отсутствует, а в образовавшейся вакансии могут располагаться атомы примеси. Это могут быть катализаторы кристаллизации карбина. Такая модель дает основания к раскрытию феномена карбина, а также объясняет, в какой конфигурации может стабилизироваться в общем случае неустойчивая совокупность линейных цепочек углерода.

См. также

• Нанотехнология
• Углерод

Ссылки

• Сладков А.М, Кудрявцев Ю.П Полиины // Успехи химии N°3 : Russian Chemical Revue. — 1963. — № 32. — С. 229-243.
• Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин - аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№5. С.37-44.
• Y.P. Kudryavtsev. The discovery of carbyne / F.Levy. Library of Congress. Dorfrecht: Kluwer Academic publishers, 1999. — С. 4. — 440 с. — ISBN SBN 0-7923-5323-4.
• V. I. Kasatochkin, A. M. Sladkov, et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 177, No. 2, 358 (1967)
• Whittaker A.G. Carbon:occurence of carbyne forms of carbon in natural graphite // Carbon : Journal. — 1979. — № 17. — С. 21-24.
• Kudryavtsev Yu.P., Evsukov S.,Guseva M. et al. Carbyne - a linear chainlike carbone allotrope // Chemistry and Phisics of carbon : Journal. — 1997. — С. 2-70.
• Kudryavtsev Yu.P.,Evsyukov S.E.,Babaev V.G.,Gouseva M.B. and al. Oriented carbyne layers // Carbon : Journal. — 1992. — № 30. — С. 213-221.
• Кудрявцев Ю.П.,Евсюков С.Е.,Гусева М.Б, Бабаев В.Г.,Хвостов В.В. Карбин-третья аллотропная форма углерода // Российский химический журнал : Научный журнал по химии. — 1993. — № 42. — С. 399-413.
• Шумилова Т.Г. Алмаз,графит,карбин, фуллерен и другие модификации углерода / академик РАН Н.П.Юшкин. — научное. — Екатеринбург: НИКО УрО РАН, 2002. — С. 36-50. — 87 с. — ISBN ISBN 5-7691-1219-0.
• Kudryavtsev Yu.P., Heimann R.B and Evsyukov S.E. Carbynes:advances in the field of linear carbon-chain compounds //Journal of Materials Scince : Journal. — 1996. — № 31. — С. 5557-5571.
• Chuan Xiu-van, Wang Tong-kuan, Jean Baptiste Donnet. Stability and existence of carbyne with carbon chains. - New carbon materials, 2005, 10 p.