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FULLERENOS Raúl Acosta López Enrique Martínez Delgado Mª Isabel Martínez Vicente.

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1 FULLERENOS Raúl Acosta López Enrique Martínez Delgado Mª Isabel Martínez Vicente

2 Fullerenos Introducción Introducción Historia Historia Síntesis Síntesis Caracterización Caracterización Propiedades Propiedades Aplicaciones Aplicaciones

3 Introducción El carbono 4 electrones de valencia hasta 4 enlaces covalentes hasta 4 enlaces covalentes formas alotrópicas formas alotrópicas

4 Introducción Formas alotrópicas del carbono Introducción Formas alotrópicas del carbono

5 Introducción Formas alotrópicas del carbono Diamante Diamante 4 enlaces covalentes (sp 3 ) dureza 4 enlaces covalentes (sp 3 ) dureza Cada 5 átomos de carbono forman Cada 5 átomos de carbono forman un tetraedro, 4 ángulos 109.5º un tetraedro, 4 ángulos 109.5º Se unen entre sí a otros cuatro Se unen entre sí a otros cuatro dando una estructura de blenda dando una estructura de blenda

6 Introducción Formas alotrópicas del carbono Grafito Grafito Átomos de C con hibridación sp 2 Átomos de C con hibridación sp 2 Cada C se une con otros 3 C Cada C se une con otros 3 C disposición trigonal-plana disposición trigonal-plana anillos (C 6 ) condensados que dan lugar anillos (C 6 ) condensados que dan lugar a láminas que interaccionan entre ellas a láminas que interaccionan entre ellas por fuerzas de Van der Waals fácil deslizamiento por fuerzas de Van der Waals fácil deslizamiento

7 Introducción Formas alotrópicas del carbono Fullereno Fullereno Hibridación intermedia entre Hibridación intermedia entre sp 2 y sp 3 sp 2 y sp 3 Anillos hexagonales Anillos hexagonales se combinan con pentagonales se combinan con pentagonales C 60 es el más común C 60 es el más común (balón de fútbol o buckyball) (balón de fútbol o buckyball) (Icosaedro) (Icosaedro (Icosaedro) (Icosaedro truncado) truncado)

8 Introducción Características de los fullerenos Estructuras cerradas sobre si mismas (C 6 y C 5 ) Estructuras cerradas sobre si mismas (C 6 y C 5 ) Presentan 120 operaciones de simetría la molécula más simétrica (C 7 imperfecciones) Presentan 120 operaciones de simetría la molécula más simétrica (C 7 imperfecciones) Cumple teorema de Eüler: c + v = a + 2 Cumple teorema de Eüler: c + v = a + 2 7Å D m 15Å (6 a 10 veces > que el del átomo C) 7Å D m 15Å (6 a 10 veces > que el del átomo C)

9 Historia En 1985, Kroto y Smalley encontraron accidentalmente unas nuevas moléculas muy estables, la más abundante C 60 En 1985, Kroto y Smalley encontraron accidentalmente unas nuevas moléculas muy estables, la más abundante C 60 En 1990 se sintetizaron por primera vez En 1990 se sintetizaron por primera vez En 1991 Sumio Iijima detectó una forma más del carbono, el nanotubo En 1991 Sumio Iijima detectó una forma más del carbono, el nanotubo

10 Síntesis Método original Método original Método Kroto Método Kroto Método alternativo Método alternativo

11 Síntesis Método original (1985, Rice) Evaporación de grafito Evaporación de grafito Se calienta el grafito en un horno a 1200ºC Se calienta el grafito en un horno a 1200ºC Usa vidrio de cuarzo como portamuestra Usa vidrio de cuarzo como portamuestra Requiere atmósfera inerte (mezcla de argón) Requiere atmósfera inerte (mezcla de argón) Se incide con un láser de CO 2 Se incide con un láser de CO 2 Recolección del material enfriando en un ánodo de cobre Recolección del material enfriando en un ánodo de cobre

12 Síntesis Método Kroto (1990, Sussex) Descarga de arco Descarga de arco En lugar de rayos láser se utilizan corrientes eléctricas de alta tensión En lugar de rayos láser se utilizan corrientes eléctricas de alta tensión Se calientan varillas de grafito de 6 a 7 cm en una campana de cristal durante segundos Se calientan varillas de grafito de 6 a 7 cm en una campana de cristal durante segundos Atmósfera de 100 torr de Helio Atmósfera de 100 torr de Helio Utiliza placas de recolección de KBr Utiliza placas de recolección de KBr

13 Síntesis Método alternativo (en estudio) Disociación del bromuro de polivinilideno (PVB) con radiación IR Disociación del bromuro de polivinilideno (PVB) con radiación IR Se forman radicales de CH y C 2, tanto en su estado fundamental como en el primer estado electrónico excitado Se forman radicales de CH y C 2, tanto en su estado fundamental como en el primer estado electrónico excitado El C 2 se forma vibracionalmente excitado El C 2 se forma vibracionalmente excitado En ciertas condiciones de irradiación se ha detectado un residuo carbonoso que contiene fullerenos En ciertas condiciones de irradiación se ha detectado un residuo carbonoso que contiene fullerenos

14 Caracterización AFM (microscopio de fuerza atómica) AFM (microscopio de fuerza atómica) STM (microscopio efecto túnel)

15 Caracterización Estudio de una gota con fullerenos en suspensión (mediante AFM) Estudio de una gota con fullerenos en suspensión (mediante AFM)

16 Propiedades Propiedades Físicas Estabilidad Estabilidad Temperatura descomposición > 1000ºC (depende de C n ) Temperatura descomposición > 1000ºC (depende de C n ) A T<1000ºC cierta cantidad se sublima sin descomposición de las esferas (generación de cristales y películas delgadas de fullerenos) A T<1000ºC cierta cantidad se sublima sin descomposición de las esferas (generación de cristales y películas delgadas de fullerenos) T> -13ºC las esferas rotan libremente en sus posiciones cristalinas (el cristal es plástico a T ambiente) T> -13ºC las esferas rotan libremente en sus posiciones cristalinas (el cristal es plástico a T ambiente) T< -183ºC las esferas se vuelen completamente inmóviles T< -183ºC las esferas se vuelen completamente inmóviles

17 Propiedades Propiedades Físicas Color (atractivos y variados colores) Color (atractivos y variados colores) C 60 C 60 en la naturaleza negro en la naturaleza negro películas delgadas mostaza películas delgadas mostaza disolución en solventes orgánicos rosa/magenta disolución en solventes orgánicos rosa/magenta C 70 C 70 piezas extensas gris oscuro piezas extensas gris oscuro películas delgadas café rojizo películas delgadas café rojizo en disolución rojo vino en disolución rojo vino C 76, C 78 y C 84 amarillo C 76, C 78 y C 84 amarillo

18 Propiedades Propiedades Eléctricas Aislante eléctrico Aislante eléctrico Las moléculas C 60 se combinan dando un sólido cristalino que no deja pasar la electricidad. Las moléculas C 60 se combinan dando un sólido cristalino que no deja pasar la electricidad. Conductor eléctrico Conductor eléctrico En cada C, tres electrones se encuentran formando enlaces con los 3 C vecinos y el cuarto está compartido con todos los C. En cada C, tres electrones se encuentran formando enlaces con los 3 C vecinos y el cuarto está compartido con todos los C.

19 Propiedades Propiedades químicas Acidez/Basicidad Acidez/Basicidad Ácido de Lewis, forma compuestos fácilmente con átomos donadores de electrones como los metales alcalinos. Ácido de Lewis, forma compuestos fácilmente con átomos donadores de electrones como los metales alcalinos. Fulléridos alcalino: fulleritas a las que se le han añadido átomos alcalinos Fulléridos alcalino: fulleritas a las que se le han añadido átomos alcalinos fórmula A 3 C 60 (A: K, Rb, Cs y Na) fórmula A 3 C 60 (A: K, Rb, Cs y Na) Son capaces de generar cristales del orden de 25Å, con un alto grado de desorden. Son capaces de generar cristales del orden de 25Å, con un alto grado de desorden. Si se unen al K y Rb los compuestos resultan superconductores, con T crítica del orden de 40 a 60ºK Si se unen al K y Rb los compuestos resultan superconductores, con T crítica del orden de 40 a 60ºK

20 Propiedades Propiedades químicas Solubilidad Solubilidad Solubles en ciertos disolventes orgánicos e insolubles en disolventes polares o con enlaces de hidrógeno. Solubles en ciertos disolventes orgánicos e insolubles en disolventes polares o con enlaces de hidrógeno. Importante para la química de fullerenos que se basa fundamentalmente en reacciones de adición: Importante para la química de fullerenos que se basa fundamentalmente en reacciones de adición: Adición HalógenosOxígeno RadicalesHidrógeno Metales

21 Propiedades Reactividad Adición al enlace C-C Adición al enlace C-C Br 2, 25ºC Br 2, 25ºC C > C 60 Br 2 + C 60 Br 4 (con el Cl 2 también reacciona a T > 300 ºC)

22 Propiedades Reactividad Ciclación y polimerización Ciclación y polimerización Por exposición directa a la luz ultravioleta sus moléculas se polimerizan formando enlaces entre esferas cercanas. Por exposición directa a la luz ultravioleta sus moléculas se polimerizan formando enlaces entre esferas cercanas. El polímero ya no se disuelve en tolueno fotosensible El polímero ya no se disuelve en tolueno fotosensible Compuestos huésped-anfitrión Compuestos huésped-anfitrión Con metales de transición Con metales de transición Reacciones de transferencia electrónica Reacciones de transferencia electrónica

23 Propiedades Reactividad Formación de nanotubos Formación de nanotubos Propiedades de los nanotubos Propiedades de los nanotubos Conductividad eléctrica Conductividad eléctrica Conductividad térmica a lo largo del eje del tubo Conductividad térmica a lo largo del eje del tubo Propiedades mecánicas la fibra más fuerte conocida Propiedades mecánicas la fibra más fuerte conocida Perfección molecular Perfección molecular

24 Aplicaciones Fullerenos Nuevos tipos de Polímeros Nuevos tipos de Polímeros Polímeros electroactivos (reacciones de transferencia de electrones) Polímeros electroactivos (reacciones de transferencia de electrones) Polímeros con propiedades de limitadores ópticos (importante en el campo de los láseres, evita el deterioro de los materiales) Polímeros con propiedades de limitadores ópticos (importante en el campo de los láseres, evita el deterioro de los materiales) Dispositivos fotoconductores Dispositivos fotoconductores Nuevos catalizadores Nuevos catalizadores Productos farmacéuticos (biomedicina) Productos farmacéuticos (biomedicina) Ciertos derivados de organometálicos de los fullerenos muestran actividad contra VIH-1,VIH2 del SIDA Ciertos derivados de organometálicos de los fullerenos muestran actividad contra VIH-1,VIH2 del SIDA Fototerapia Fototerapia

25 Aplicaciones Otras aplicaciones industriales (nanotubos) Sondas químicas y genéticas Sondas químicas y genéticas Memoria mecánica Memoria mecánica Nanopinzas Nanopinzas Sensores supersensibles Sensores supersensibles Almacenamiento de hidrógeno e iones Almacenamiento de hidrógeno e iones Materiales de máxima resistencia Materiales de máxima resistencia Microscopio de barrido de mayor resolución Microscopio de barrido de mayor resolución

26 Bibliografía Agradecimiento al catedrático Harold W. Kroto, descubridor de los fullerenos y premio Nobel de Química en 1996, por facilitarnos información. Agradecimiento al catedrático Harold W. Kroto, descubridor de los fullerenos y premio Nobel de Química en 1996, por facilitarnos información. (hhtp://www.vega.org.uk


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