Реферати українською » Химия » Властивості краун-ефірів та фулеренів


Реферат Властивості краун-ефірів та фулеренів

Страница 1 из 4 | Следующая страница

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

>ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОСВІТІ

Державне освітнє установа

Вищої професійної освіти

>ИВАНОВСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Фізичний факультет

>КАФЕДРАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ІТЕХНИЧЕСКОЙ ФІЗИКИ

Спеціальність: 010701 – Фізика

Спеціалізація: Фізичне матеріалознавство

Дипломна робота

на задану тему: Властивостікраун-ефиров і фулеренів

Виконала: студентка 5 курсу

Фізичного факультету

>Шмиглева Л. В.

Науковий керівник: проф.к.ф.-м.н.

Александров А.І.

Іваново 2010


Зміст

Запровадження

1. Структура й поліпшуючи властивостікраун-ефиров і фулеренів

1.1Краун-ефири

1.1.1 Історична довідка

1.1.2 Номенклатуракраун-ефиров

1.1.3 Одержаннякраун-ефиров

1.1.4 Застосуваннякраун-ефиров

1.2 Фуллерени

1.2.1 Фуллерени - нові елементарні форми вуглецю

1.2.2 Будова фулеренів

1.2.3 Властивості фулеренів

1.2.4 Одержання фулеренів

1.2.5Применения фулеренів

1.3Монослой лежить на поверхні води

1.4Монослои з урахуванням фулеренів ікраун-ефиров      

2. Постановка завдання

3. Апаратура й методику експерименту

3.1 Досліджувані сполуки

3.2 Одержаннямонослоев

3.2.1 Установка щоб одержатимонослоев

3.2.2 Розрахунок граничного значення поля Фредерікса

3.2.3 Розрахунок необхідної кількості речовини

3.2.4 Приготування розчинів

3.2.5 Побудовар-А ізотерм

3.2.6 РівнянняФольмера для аналізур-А ізотерм

3.3Молекулярное моделювання й визначення площі, займаній молекулою вплавающем шарі

4. Експериментальні результати та

Основні результати і деякі висновки

Список використовуваної літератури


Запровадження

 

Нанотехнологія і наноматеріали поруч із біотехнологією, інформаційними технологіями є ключовими технологіями 21 століття. Це і різким зростанням фінансування цієї галузі останніми роками. ТехнологіюЛенгмюра –Блоджетт (>ЛБ) як і можна зарахувати до нанотехнологіям, оскільки він дає змогу виробляти операції у рівні окремихмонослоев.

>Мультислой, сформований поЛБ технології, – принципово новий об'єкт сучасної фізики, і тому будь-які їх властивості (оптичні, електричні, акустичні тощо.) цілком незвичні. Навіть найпростіші структури, що складаються з однаковихмонослоев, мають низку унікальних особливостей, а про спеціально побудованих молекулярних ансамблях.

Досить порівняти, наприклад, подвійніленгмюровские верстви (>биослои) з біологічними мембранами. Завдяки цим обставинам сьогодні ми сьогодні вже говоримо про перспективи розвитку нової науки – молекулярної електроніки. Ця наука своїми першими успіхами зобов'язаналенгмюровским плівкам, і у цьому, стосовно нових матеріалів. Вже створено перші зразкивисокопроводящих надтонких плівок з урахуванням органічнихамфифильних молекул. Такі молекули, з'ясувалося [6], маютьдонорними іакцепторними властивостями, тобто поводяться фактично як мініатюрні напівпровідники. Далі, полімеризація плівокЛенгмюра –Блоджетт, мають виключно малу і при цьомукалиброванную товщину (кількамонослоев), дає можливість вести філігранний літографічний процес з допомогою електронного променя. Просторове дозвіл, яке обмежує в електронної технології мінімальну товщину ліній схеми, сягає у разі кількох нанометрів. З іншого боку,ленгмюровские плівки пропонується використовувати як оптичнихволноводов зі спеціально заданим за "товщиною профілем показника заломлення.

Ще одна приклад, демонструє незвичні фізичні властивостіленгмюровских плівок. Виявляється, на молекулярному рівні можна здійснити перенесення інформації від однієїмонослоя до іншого,соседнему[7]. Після цього сусідніймонослой можна відокремити отже, отримати копію те, що було «записано» у першомумонослое. Такий копіювальний процес цілком аналогічний процесу реплікації інформації з молекул ДНК – хранителів генетичного коду – на молекули РНК, які переносять інформацію доречно синтезу білків у клітинах живих організмів.

Широке розвиток одержують нині гібридні системи, деленгмюровские плівки скомбіновані з традиційнимитранзисторними елементами. Високадиелектрическая міцність дозволяє вживати такі плівки в польовихтранзисторах[7]. Усе це розширює діапазон використовуваних напівпровідникових кристалів.Диелектрическиемонослои покращують характеристики сонячних батарей і світловипромінювальних (люмінесцентних) діодів. Можна створити набір хімічних сенсорів – чутливих датчиків.

І, нарешті, використання орієнтованих молекулярних ансамблів дозволяє на абсолютно новій основі порушити питання спрямованих електро- і фотохімічних реакціях, як-от фотосинтез, перетворення сонячної енергії чи, скажімо,фоторазложениеводи[6]. Технологіяленгмюровских плівок незабаром опиниться чудовою підвалинами найбільш передовою області – молекулярної електроніки.

Отже,мультислой має такими корисними якостями: молекулярна орієнтування у ньому суворо фіксована; є різко виражена залежність від напрямку – структурна анізотропія – вздовж і впоперек площинмонослоев, і, нарешті, найголовніше, –мультислой взяток змонослоев різних спеціально підібраних речовин. Кожному речовини (молекулі) можна доручити виконання якийсь операції, і можна буде отримати багатофункціональниймультислой.

Дуже перспективними матеріалами для технологіїЛенгмюра-Блоджетт є фуллерени ікраун-ефири. Фуллерени мають цікавими фізичними властивостями, зокрема напівпровідниковими іпроводниковими, акраун-ефири можна використовувати як для захоплення іонів металів, а й нейтральних молекул.


1. Структура і їхні властивостікраун-ефиров і фулеренів

 

1.1Краун-ефири

 

1.1.1 Історична довідка

>Краун-ефири –макроцикли, містять у собі поруч ізметиловими ланками (–>СН2–СН2–) кисневі атоми, деяких випадках частина атомів Про замінена атомами N чи P.S. Відкриття і синтезкраун-ефиров – одне з найяскравіших сторінок на розвитку органічної хімії останніх десятиліть. Перший із цьогомакроциклических сполук –дибензо-18-краун-6 – було отримано Ч.Педерсеном (США) в 1967 р. (За відкриття нового класу сполук він удостоївся Нобелівської премії по хімії в 1987 р.) Педерсен вивчав властивості різних стабілізаторівкаучуков, нафтових масел, гумових матеріалів. Основне призначення цих стабілізаторів полягала у запобігання руйнації антиоксидантів, яке ініціювалося присутністю слідових кількостей металів.Синтезируядезактиваторкатиона ванадіюVO2+, Педерсен як побічного продукту виділивмакроцикл, яке у циклі 12 вуглецевих і шість кисневих атомів. Згодом Педерсен одержав у цілому 60полиефиров із кількістю кисневих атомів від 4 до 20 і розміром циклу від 12 до60-членного[13]. Усі атоми кисню хіба що виведено з площині циклу і орієнтовані до однієї бік, що дуже полегшує їх наступне полярне взаємодію Космосу зкатиономметалла[24].

Зваживши на надзвичайну здатність цихмакроциклов укладати на свій порожнину катиони металів – "коронувати" їх, Педерсен і навіть запропонував відповідну назву нової класу речовин –краун - сполуки (від анг.crown – корона) [13].

Появакраун-ефиров помітно розширило можливості експериментальної хімії. Стала можливою переводити у органічну середу типові неорганічні з'єднання та провести з ними різніреакции[24].

1.1.2  Номенклатуракраун-ефиров

Формально всекраун-ефири можна зарахувати до класугетероциклических сполук, проте незвичних властивостей таких сполук дозволили виділити в самостійний клас, у зв'язку з ніж упорядкування назв було запропоновано спеціальні правила. Назва містить слово «>краун», цифра які були словом позначає загальна кількість атомів в циклі, а цифра є в кінці назви свідчить про кількістьгетероатомовO, N і P.S (мал.1) [27].

>Рис. 1. Структурні формули і номенклатура типовихкраун-ефиров.

У назві не вказують його присутність серед циклі атомів Про (це мається на увазі), якщо в циклі є іншігетероатоми (крім кисню), наприклад, азот чи сірка, їх кількість вказують, додаючи до назви приставки ді- і три роки - (>азакраун - читиакраун-ефирами [13]), а становище у циклі – з допомогою числових індексів, попередньо нумеруються все атоми вцикле[24].

>Краун-ефири містять фрагментС–О–С, характерний простих ефірів, і навіть можуть включати фрагменти амінуC–NH–C, читиоефираC–S–C. Характерне властивість цих класів сполук – утворювати комплекси з допомогоюнеподеленних електронних пар кисню, азоту та сірки. Це властивість багаторазово посилено вкраун-ефирах через великі числагетероатомов в циклі, при цьомунеподеленние електронні пари орієнтовані всередину циклу. Через війну іони лужних іщелочноземельних металів входять всередину циклу, створюючи міцні комплекси.

Змінюючи величину циклу і, розмір внутрішньої порожнини, не складно налаштуватикраун-ефир на утриманнякатиона певного розміру, наприклад,12-краун-4 (рис. 2) найбільш міцно захоплює катіон літію,15-краун-5 відповідає за величиноюкатиону натрію, а18-краун-6 «підходить за величиною»катиону калію (рис. 2) [24].

>Рис. 2. Комплексикраун-ефиров з катионами лужних металів (пунктирними лініями показані координаційні зв'язку).

>Краун-ефири,конденсированние з однією чи декількомабензольними чициклогексановими кільцями, називають відповіднобензокраун - іциклогексанокраун-ефирами (рис.3). Відомі такожкраун - сполуки, містять в циклігетероатоми Р, Si,As чи ін.,амидние,сложноефирние чи ін. функціональнігруппи[24].


>Рис. 3. Структурні формуликраун-ефиров з різними числом кілець.

1.1.3 Одержаннякраун-ефиров

Існує безліч методів синтезукраун - сполук, проте найважливіший аспект кожного з них залежить від придушенні побічних реакцій, що призводять до лінійнимполимерам, для переважного перебігу реакції циклізації, що призводить до циклічним сполукам.

Зазвичай для синтезукраун - сполук використовують реакціюВильямсона: . Для придушення освіти побічних лінійних полімерів часто застосовуються такі методи: спосіб високого розведення, двостадійна конденсація, матричніреакции[27].

З 1978 р. з допомогою вищезгаданих методів промисловістю виробляються такікраун-ефири, якдибензо-18-краун-6,дибензо-24-краун-8,дициклогексил-18-краун-6 ідр[24].

При конденсаціїдихлоралкилов, які у ланцюга прості ефіри угрупованняС–О–С, зполиетиленгликолями протікаєциклизация, яка веде до утвореннякраун-ефира. Залежно від довжини ланцюжка вихідних сполук отримуютькраун-ефири з різноманітною величиною циклу.Азотсодержащиекраун-ефири отримують конденсацієюдиаминов, містять ефірні угруповання, зхлорангидридамидикарбонових кислот. Через війну виходять циклічні аміди, які потім відновлюють, у своїйкарбонильние групиС=О перетворюються наметиленовиеСН2.Серосодержащиекраун-ефири здійснюють за схемою При цьому вихідні сполуки містятьтиоефирние угрупованняС–S–С[24].


1.1.4 Застосуваннякраун-ефиров

Застосуваннякраун-ефиров визначається, передусім, їх виборчої здатністю захоплювати катиони певного розміру. Найбільшого поширення набула отрималикраун-ефири, містять лишегетероатоми Про. Їх застосовують у технологічними процесами, що з виділенням і очищенням солей лужних іщелочноземельних металів, в аналітичних дослідженнях і роботах, що з синтезом, коли не треба перевести неорганічні сполуки з водної фази в органічнусреду[13].

У радіохіміїкраун-ефири допомагають вирішувати проблему переробки відходів ядерних виробництв. Перший етап – видалення з допомогоюкраун-ефиров з переробленого ядерного пального найактивніших ізотопів (стронцій-90, цезій-137, технецій-99), в цій стадіїпредпочтительниS-содержащиекраун-ефири, оскільки вони мають підвищену радіаційної стійкістю.Извлеченние ізотопи використовуються потім у установкахрадиодиагностики, які заміняли рентгенівські апарати, і навіть під час створення довгострокових джерел струму для метеостанцій,метеозондов і космічних апаратів. Наступний етап переробки палива – вилучення з допомогоюкраун-ефиров (спеціально підібраного складу) невитрачених урану і плутонію, після чого обсяг які підлягають утилізації відходів стають помітно менше (і при цьому відходи мають слабкоїрадиоактивностью[27].

За підсумкамикраун-ефиров створеноелектропроводящие матеріали новоготипа[24].


1.2 Фуллерени

 

1.2.1  Фуллерени - нові елементарні форми вуглецю

Донедавна було відомо, що вуглець утворює двіаллотропних форми: – алмаз і графіт. Нині відома третя алотропна форма вуглецю, так званий фулерен.

Походження терміна "фулерен" пов'язаний з ім'ям американського архітектора РічардаБукминстера Фуллера,конструировавшего напівсферичні архітектурні конструкції, що перебувають у вигляді шестикутників і п'ятикутників.

У 60-х рр. Девід Джонс конструював замкнутісфероидальние клітини з своєрідним чином згорнутих графітових верств. Було показано, що на посаді дефекту, упровадженого вгексагональную грати звичайного графіту, і що призводить освіті складної викривленою поверхні, то, можливопятиугольник[22].

На початку 70-х рр.физхимик–органикЕ.Осава припустив існування порожнистої,високосимметричноймолекулиС60, зі структурою як усіченогоикосаедра, схожій футбол. Трохи згодом (1973 р.) російські вченіД.А.Бочвар і О.Г. Гальперин зробили перші теоретичні квантово-хімічні розрахунки такий молекули довели її стабільність.

У 1985 вчені: Р.Крото, Хіт, 0'Брайен,Р.Ф.Керл і Р. Смоллі вдалося знайти молекулу фулерену для дослідженнямасс-спектров парів графіту після лазерного опромінення твердого зразка.

У 1991 японський ученийИджима на полярному іонному мікроскопі вперше спостерігав різні структури, що складаються зшестичленних кілець вуглецю: нанотрубки, конуси, наночастки.

У 1992 в природномууглеродном мінералі –шунгите (від назви селищаШуньга в Карелії) знайшли природні фуллерени.

У 1997Р.Е. Смоллі,Р.Ф.Керл, Р.Крото отримали Нобелівську премію з хімії за вивчення молекулС60[11].

 

1.2.2  Будова фулеренів

 

>Рис.4. Структура молекули фулерену С60.

Центральне місце серед фулеренів займає С60 (рис. 4.), що характеризується найвищою симетрією як наслідок, найбільшої стабільністю. У цьому молекулі, нагадує покришку футбольного м'яча, і має структуру правильного усіченогоикосаедра атоми вуглецю розташовуються на сферичної поверхні в вершинах 20 правильних шестикутників та дванадцяти правильних п'ятикутників. Отож кожен шестикутник межує із трьома шестикутниками й трьома п'ятикутниками, а кожен п'ятикутник - з п'ятьма шестикутниками. Ця постатьвисокосимметричная: в неї існує шість осей п'ятого порядку, що пропливали дванадцять протилежно лежачих попарно п'ятикутників, десять осей третього порядку, що пропливали двадцять протилежно лежачих шестикутників, 30 осей другого порядку, які відбуваються через протилежно що лежать шістдесят ребершестиугольник-шестиугольник, 30 осей другого порядку, які відбуваються крізь ці протилежні шістдесят вершин постаті. Існує й кілька типів площин симетрії п'ятого, третього та другогопорядков[8].

Електронна оболонкаs2p2 атома вуглецю забезпечує оптимальний структуру вуглецю, коли сусідні атоми утворюють п'яти шестикутники. Ця структура є оптимальною й для найбільш стійких кластерів вуглецю, які виникають внаслідок термічного розпорошення графіту. Оскільки найефективніші засоби одержання фулеренів засновані на термічному руйнуванні графіту, природно укласти, що шестикутники, мають самі розміри, як і шестикутники, що входять до графіт [25].

>Графит складається з верств, які викладено правильними шестикутниками зі стороною 0.140 нм, і розділені відстанню 0.335 нм, атоми сусідніх верств розташовані не друг під іншому, а зміщено наполовину постійної грати. Отже, радіус молекули С60 дорівнює 0.35 нм [22].

У структурі С60 є типу зв'язків: подвійна (є спільною стороною двох шестикутників) і одинарна (є спільною стороною шестикутника і п'ятикутника). Результати різних експериментів показують, що довжини цих зв'язків відповідно рівні 0.139 ± 0.001 і 0.144 ± 0.001 нм. Тому шестикутники, складові С60, дещо відрізняються правильних і представлена вище оцінка розміру фулерену справедлива з точністю 1-2%. Більше точне значення радіуса молекули С60, за даними рентгеноструктурного аналізу становить 0.357 нм. [13].

Більшість різноманітних нижчих не зовсім вищих (приблизно до ста вуглецевих атомів) зафіксовано експериментально. Зазвичай, таких структур мають нижчими стосовно С60 симетріями.

Характеристики фулерену С60:

1.Мелкокристаллический порошок чорного кольору, позбавлений запаху.

2. Щільність фулерену С60 – 1,65г/см3, що менше, ніж в графіту (2,3г/см3) і алмазу (3,5г/см3). Це з тим, що молекулиполие[22].

3. Практично нерозчинні в полярних розчинниках (вода, етанол, ацетон); добре розчиняються у бензолі,толуоле,фенилхлориде [13].

4.Длини вуглецевих зв'язків в молекулі становлять 0,143 і 0,139 нм, а діаметр внутрішньої порожнини становить 0,714 нм, яка сприяє включенню в порожнину іншого атома чи молекули – ">гостя"[8].

5. С60 зберігає свою термічну стабільність до1700К[16].

6. Модуль об'ємного стискування окремої молекули теоретично становить 720-900ГПа [16].

7.Энтальпия освіти С60 становить 42.5кДж/моль (порівнювати:ентальпия освіти графіту - 0кДж/моль і алмазу -1.67кДж/моль)[11].

1.2.3  Властивості фулеренів

Взаємодія між атомами різних фулеренів слабше, цим між найближчими атомами одного фулерену. Це означає, що взаємодія двох молекул фулерену не призведе дослипанию, як у взаємодії двох кластерів з просторовим розташуванням атомів. І тут утворюється система двох слабко взаємодіючих молекул фулерену, де кожна молекула фулерену зберігає свою індивідуальність [25].

>Кристаллические фуллерени і плівки їх є напівпровідники із шириною забороненої зони 1.2 - 1.9еВ й володіютьфотопроводимостью при оптичному опроміненні. Фуллерени в кристалах характеризуються щодо невисокими енергіями зв'язку, у таких кристалах вже за часів кімнатної температурі спостерігаються фазові переходи,приводящему доориентационномуразупорядочению іразмораживанию обертання молекул фулеренів. Кристали С60, леговані атомами лужних металів мають металевої провідністю, і переходить

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація