Номер 2, страница 147, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. Что такое фуллерены? Почему их называют углеродными частицами? Назовите области применения таких структур.

Что такое фуллерены?

Фуллерены — это одна из аллотропных модификаций углерода, которая представляет собой молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода и имеющие форму замкнутых, полых структур, таких как сфера, эллипсоид или цилиндр. Молекулярный каркас фуллеренов состоит из соединенных между собой пятиугольных (пентагонов) и шестиугольных (гексагонов) углеродных циклов. Каждый атом углерода в такой структуре связан с тремя другими атомами.

Самым известным и наиболее изученным представителем является фуллерен $C_{60}$, молекула которого состоит из 60 атомов углерода и по своей геометрии напоминает футбольный мяч. Эта структура, называемая усечённым икосаэдром, включает 12 пятиугольников и 20 шестиугольников.

Фуллерены были теоретически предсказаны в 1970-х годах, а экспериментально открыты в 1985 году Гарольдом Крото, Ричардом Смолли и Робертом Кёрлом, за что в 1996 году им была присуждена Нобелевская премия по химии. Название "фуллерены" было дано в честь американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, который использовал подобные конструкции (геодезические купола) в своих проектах.

Помимо сферических фуллеренов, также существуют и другие их формы, например, углеродные нанотрубки, которые можно рассматривать как вытянутые, цилиндрические фуллерены.

Ответ: Фуллерены — это класс аллотропных форм углерода, представляющих собой полые молекулы в форме сфер, эллипсоидов или трубок, каркас которых построен из атомов углерода, организованных в пяти- и шестиугольные циклы.

Почему их называют углеродными частицами?

Фуллерены называют "углеродными частицами" по двум ключевым причинам, которые отражают их химический состав и физическую природу.

1. Углеродными: Это определение указывает на то, что данные структуры состоят исключительно из атомов углерода ($\text{C}$). Фуллерен — это чистая форма элементарного углерода, одна из его аллотропных модификаций, наряду с алмазом, графитом и графеном. В структуре "чистого" фуллерена отсутствуют атомы других химических элементов.

2. Частицами: Этот термин используется, поскольку каждая молекула фуллерена представляет собой отдельный, дискретный объект нанометрового размера (например, диаметр молекулы $C_{60}$ составляет около 0,7 нм). В физике и химии такие наноразмерные объекты часто называют частицами или наночастицами. В твердом состоянии фуллерены образуют молекулярные кристаллы, состоящие из этих отдельных молекул-частиц, упакованных в кристаллическую решетку.

Ответ: Их называют "углеродными", так как они целиком состоят из атомов углерода, и "частицами", потому что каждая отдельная молекула фуллерена является обособленным объектом нанометрового масштаба.

Назовите области применения таких структур.

Уникальные свойства фуллеренов (прочность, полая структура, химическая активность, полупроводниковые свойства) открывают широкие возможности для их применения в различных высокотехнологичных областях.

1. Медицина и биотехнологии:

- Адресная доставка лекарств: Полость фуллерена может быть использована как контейнер для молекул лекарств, что позволяет доставлять их непосредственно к больным клеткам (например, раковым), минимизируя побочные эффекты.

- Антиоксидантная терапия: Фуллерены эффективно нейтрализуют свободные радикалы, что делает их перспективными для использования в препаратах против старения, воспалительных и нейродегенеративных заболеваний.

- Диагностика: Производные фуллеренов могут служить основой для создания высокоэффективных контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ).

- Противовирусные и антимикробные средства: Некоторые производные фуллеренов показали активность против вирусов (включая ВИЧ) и бактерий.

2. Материаловедение:

- Сверхпроводимость: Соединения фуллеренов с атомами щелочных металлов (фуллериды, например $K_3C_{60}$) проявляют сверхпроводящие свойства при относительно высоких температурах.

- Упрочнение материалов: Добавление фуллеренов в полимеры (пластмассы) и металлы позволяет создавать композитные материалы с повышенной прочностью, износостойкостью и термостойкостью.

- Смазочные материалы: Сферическая форма молекул позволяет им действовать как наноразмерные шарикоподшипники, значительно снижая трение.

3. Электроника и фотоника:

- Органические солнечные элементы: Фуллерены и их производные широко используются в качестве акцепторов электронов в органических фотовольтаических устройствах, повышая их КПД.

- Наноэлектроника: На основе фуллеренов создаются прототипы транзисторов, элементов памяти и молекулярных проводов.

- Оптические ограничители: Фуллерены могут поглощать интенсивное лазерное излучение, что используется для защиты чувствительных оптических сенсоров и человеческого глаза.

4. Косметология:

- Благодаря мощным антиоксидантным свойствам фуллерены включаются в состав элитной антивозрастной косметики для защиты кожи от повреждения свободными радикалами.

Ответ: Основные области применения фуллеренов — это медицина (доставка лекарств, антиоксиданты), материаловедение (сверхпроводники, композитные материалы), электроника (солнечные батареи, транзисторы) и косметология (антивозрастные кремы).