Fulleren
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Dieser Artikel befasst sich mit Fulleren als Gruppe von Makromolekülen. Weiteres, siehe Fulleren (Begriffsklärung).
Mit Fulleren (Pl.: Fullerene) wird eine spezielle Gruppe von ausschließlich aus Kohlenstoff bestehenden Makromolekülen der Zusammensetzung <math>C_n<math> bezeichnet, die gleichfalls die dritte Element-Modifikation des Kohlenstoffs (neben Diamant und Graphit) darstellen. Die erste Veröffentlichung zu Fullerenen erfolgte am 14. November 1985 in der Zeitschrift Nature. Ihre Entdecker Robert F. Curl jr. (USA), Sir Harold W. Kroto (England) und Richard E. Smalley (USA) erhielten 1996 den Nobelpreis für Chemie. Die bekanntesten und stabilsten Vertreter haben die Summenformeln <math>C_{60}<math>, <math>C_{70}<math>, <math>C_{76}<math>, <math>C_{80}<math>, <math>C_{82}<math>, <math>C_{84}<math>, <math>C_{86}<math>, <math>C_{90}<math>, <math>C_{94}<math>. Das mit Abstand am besten erforschte ist <math>C_{60}<math>, das zu Ehren des Architekten Buckminster Fuller Buckminster-Fulleren genannt wurde, da es den von ihm konstruierten geodätischen Kuppeln ähnelt. Es besteht aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken. Da ein Fußball die gleiche Struktur hat, wird es auch Fußballmolekül (oder auf Englisch Bucky Ball) genannt.
| Inhaltsverzeichnis |
Herstellung
Graphit wird unter Schutzgas mit einer Widerstandsheizung oder am Lichtbogen verdampft. Dabei entstehen kleine Kohlenstoff-Moleküle wie <math>C_2<math>, <math>C_4<math> und <math>C_6<math> die bei Abkühlung wieder zu größeren Einheiten zusammentreten. Im Ruß, der nach Abkühlung zurückbleibt, werden die Fullerene, aber auch Kohlenstoff-Nanoröhren gefunden. Durch Chromatographie können die Bestandteile des Ruß aufgetrennt und die Fullerene isoliert werden.
Eigenschaften
Die Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in organischen Lösungsmitteln unter charakteristischer Färbung. An der Luft zersetzen sich die Fullerene langsam unter Bildung von Graphit.
Struktur und Stabilität
Alle bekannten Fullerene bestehen aus 12 Fünfecken, die von einer unterschiedlichen Anzahl an Sechsecken umgeben sind. Durch die Unmöglichkeit, eine Ebene mit Fünfecken vollständig zu bedecken, ergibt sich die sphärische Wölbung (Bild 3).
<math>C_{60}<math> hat Ikosaeder-Symmetrie. Die Fullerene mit mehr als 60 C-Atomen weichen zwangsläufig von der Kugelform ab, <math>C_{70}<math> etwa ist ein Ellipsoid.
Die Stabilität eines Fullerens ist dann am größten,
- wenn die Fünfecke nicht aneinander grenzen, sondern nur von Sechsecken umgeben sind (Fünfeckregel),
- wenn der aromatische Charakter ausgeprägt ist (siehe Aromatizität),
- und/oder (?) wenn es eine magische Zahl (60,70,76 usw.) an C-Atomen besitzt
Reaktionen von <math>C_{60}<math>
<math>C_{60}<math> besitzt einen Hohlraum mit einem Durchmesser von 700 pm, in den Metall- und Nichtmetallatome eingelagert werden können. Ein Beispiel ist die Einlagerungsverbindung des Heliums, die mit der Notation He@<math>C_{60}<math> korrekt bezeichnet wird. He@<math>C_{60}<math> wird erhalten, wenn Graphit in einer Helium-Atmosphäre verdampft wird.
Weiterhin kann <math>C_{60}<math> die für Aromaten aber auch Olefine typischen Reaktionen wie Hydrierung, Halogenierung, Ozonolyse und Birch-Reduktion eingehen. Jedoch findet in der Regel keine vollständige Umsetzung aller Doppelbindungen statt; nur mit Fluor kann die Zusammensetzung <math>C_{60}F_{60}<math> erreicht werden.
Weitere interessante Verbindungen sind die ionischen Alkalimetall-Fulleride: <math>C_{60}<math> kann mit Natrium und Kalium reduziert werden. Dabei entstehen Verbindungen der Zusammensetzung <math>MC_{60}<math>, <math>M_2C_{60}<math> und <math>M_3C_{60}<math> (M = Na, K). <math>KC_{60}<math> kristallisiert im Natriumchlorid-Gitter. In <math>K_3C_{60}<math> liegt das <math>C_{60}\!^{3-}<math>-Anion vor und bildet eine kubisch-dichteste Kugelpackung; <math>K^+<math> ist in die Tetraeder- und Oktaeder-Lücken eingebaut. <math>K_3C_{60}<math> ist ein Hochtemperatur-Supraleiter.
Die Nanopartikel stellen Gefahren für die Umwelt dar, die zum Teil noch nicht erforscht sind. Nachgewiesen wurden folgende Auswirkungen:
- Wasserflöhe sterben nach dem Kontakt mit Buckyballs.
- Fische bekommen nach dem Kontakt Gehirnstörungen.
Weblinks
- weitere Weblinks
- 3D Strukturformel
- Suche nach Fulleren Infos mit: Yahoo