Вуглець і вуглецеві матеріали

Ще одна незвичайна структурна особливість фулерена полягає в тому, що його молекула має внутрішню порожнину, діаметр якої приблизно 0,5 нм. Зовнішній діаметр самої молекули 0,71 нм. Внутрішній діаметр, природно, менше зовнішнього, оскільки атоми вуглецю і їхні електронні оболонки теж мають визначений розмір.

Фулерен -- винятково стійка сполука. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем повітря, стійкий до дії кислот і лугів, не плавиться до температури 360 °С. Хімічні властивості знаходяться в повній згоді зі згаданими вище структурними особливостями -- фулерен не вступає в реакції, характерні для ароматичних сполук. Неможливі реакції заміщення, тому що в атомів вуглецю немає ніяких бічних замінників. Достатння кількість ізольованих кратних зв'язків дозволяє вважати фулерен поліолефіновою системою. Для нього найбільш типове приєднання по кратному зв'язку.

Фулерен є яскраво вираженим акцептором електронів і при дії сильних відновників (лужні метали) може приймати до шести електронів, утворюючи аніон С606--. Крім того, він легко приєднує нуклеофіли і вільні радикали. При відновленні лужними металами (наприклад, цезієм чи рубідієм) відбувається перенесення електрона від атома металу до фулерену. Сполуки, що утворюються, мають низькотемпературну надпровідність, критична температура появи надпровідності 33 К.

Для фулерена є ще нетинова можливість утворювати сполуки, використовуючи внутрішню порожнину вуглецевої кулі, діаметр якої достатній, щоб у ній міг розмістився атом металу чи невелика молекула. Таким чином, відкривається шлях до одержання хімічних сполук зовсім нового типу, де атом механічно утримується усередині замкнутого середовища.Спосіб введення атома металу у внутрішню порожнину фулерена практично не відрізняється від способу одержання самого фулерена. Графіт перед випаровуванням просочують солями металів. У продуктах реакції виявлені сполуки складу С60La, С60Y, С60U. Усередину заздалегідь сформованої порожнини крізь стінку удалося поки ввести лише атом гелію (завдяки його невеликим розмірам) шляхом бомбардування фулерена йонами гелію в газовій фазі.

Родинні сполуки й аналоги фулерена поки нечисленні. Найвідоміший аналог -- С70 -- був отриманий практично одночасно з С60. Одержання його в чистому вигляді пов'язано з великими труднощами, і тому він вивчений менше. За формою він близький до еліпсоїда і через злегка витягнуту форму одержав назву "регбібол". Таким чином, продовжений стиль назв фулерена С60 (футболен, бакібол). Розміри вісей еліпсоїда 0,788 і 0,682 нм. Нагадаємо, що у фулерені С60 усі вершини еквівалентні, а зв'язки між ними тільки двох типів (прості і подвійні). У регбіболі є вершини п'яти типів, наприклад вершини, де сходяться три шестикутні грані. Довжина зв'язку має вісім значень в інтервалі 0.138--0,146 нм. Таким чином, розставити однозначно в структурі подвійні і прості зв'язки неможливо. На подовжених кінцях яйцеподібної молекули знаходяться дві п'ятикутні грані. До них примикають найбільше реакційноздатні зв'язки, за властивостями близькі до кратних. Особливу групу утворюють так звані фулеренові трубки -- тубулени, які представляють собою порожні циліндричні утворення, зібрані із шестикутників і які мають, як правило, на кінці сферичну кришку, що включає п'ятикутні грані.

Утворюються такі трубки при конденсації парів графіту на плоскій графітовій підкладці. Діаметр трубок 1--3 нм, довжина досягає десятків нм. Відзначені випадки, коли такі трубки формуються одна усередині іншої, на зразок мотрьошок. Існують також багатошарові утворення, за формою близькі до сферичної, які нагадують цибулину.

Підсумовуючи, можна констатувати, що відкриття фулерена знаменувало появу класу сполук, що представляють собою нову незвичайну форму елементарного вуглецю. Це замкнуті каркаси, протяжні циліндричні чи багатошарові утворення, здатні до хімічних перетворень, як на зовнішній поверхні, так і у внутрішній порожнині.

Хімічні властивості вуглецю

За електропровідністю вуглець займає проміжне положення між типовими металами і неметалами, тому здатність віддавати електрони в нього майже така ж, як і приєднувати електрони атомів інших елементів. Отже, у хімічних сполуках вуглець утворює в основному ковалентні зв'язки.

У звичайних умовах вуглець мало активний, нагрівання підвищує його активність. Так, при нагріванні сажа і вугілля з'єднуються з киснем. Реакція супроводжується виділенням великої кількості тепла. При нестачі кисню утворюється оксид вуглецю (II), чи чадний газ:

.