Введення
Сучасна промисловість електроніки знаходиться в стані постійної гонитви за зменшенням розмірів інтегральних схем, завдяки чому збільшується швидкість, зменшується споживання енергії і собівартість виготовлення одного транзистора. В останні десятиліття одним з лідируючих матеріалів в електроніці є кремній. Але серйозну конкуренцію можуть кремнію може скласти вуглець, точніше його аллотроп - вуглецева нанотрубка.
1. Загальні відомості про вуглець
Вуглець в періодичній системі Менделєєва розташований 4-й групі, атомний номер 6, атомна маса 12.011/7 /. Ядро ізотопу складається з шести протонів і шести нейтронів. У 1961 році Міжнародним союзом фундаментальної і прикладної хімії ізотоп обраний основною одиницею виміру атомної маси. Ізотоп радіоактивний і має період напіврозпаду 57600 років, є також нуклеотид.
Нейтральний атом вуглецю містить шість електронів. Два з них знаходяться поблизу ядра і утворює перший K-шар (1s-стан). Наступні чотири електрона утворюють другий електронний L-шар. Два з чотирьох електронів знаходяться в 2s-, а два - в 2p-стані.
Нейтральний атом вуглецю в основному стані двухвалентен і має конфігурацію 2 січня 2. Однак у більшості хімічних сполук вуглець чотиривалентний. Цей стан виходить при переході одного електрона зі стану 2sв 2p; даного порушеній стану відповідає конфігурація 1 2s2 2 лютого. Електронні хмари, що мають вид об'ємних вісімок, витягнуті уздовж координатних осей. Перехід атома вуглецю з основного стану 1 2 2 возбужденноесостояніе 1 2s2 вимагає енергії близько 400 кДж/моль, яка потім компенсується при утворенні хімічних зв'язків.
Існують три основні валентні стани атома вуглецю, від яких залежить характер хімічних зв'язку між атомами вуглецю - за рахунок перекривання електронних оболонок. Від його мірі залежить міцність зв'язків. Витягнуті в вигляді вісімок 2p-орбіталі утворюють спрямовані зв'язку.
Перше валентное s -стан описується тетраедричних моделлю. У такому стані знаходиться вуглець у молекулах метану, де атом вуглецю розташований в центрі тетраедра, у вершинах якого на однакових відстанях від C- атома розташовані атоми водню. Кути між напрямками CH зв'язків однакові (109,5 °), і ці чотири еквівалентні зв'язку виходять в результаті зсуву одного s-електрона і трьох p-електронів. У цьому випадку відсутнє чітке підрозділ на s- і p- електрони, і атом вуглецю знаходиться в гібридному стані. Дана модель добре пояснює конфігурацію зв'язків вуглецевих атомів в кристалі алмазу і граничних вуглеводнях. Малюнок даної моделі зображений на рис. 1.1.
Малюнок 1.1 - Схема моделі тетраедра
Друге валентное s -стан описується тригональной моделлю і спостерігається в граничних органічних сполуках з подвійним зв'язком. Таким є стан атомів вуглецю в ароматичних станах з'єднаннях і графіті. Ізексперіментальних спостережень випливає, що атом вуглецю при цьому має три рівномірні - орбіталі, розташованих у площині під кутами 120 ° один до одного, які утворюються в результаті зсуву двох p-електронів і одного s-електрона (s-гібридизація). Четвертий електрон відповідає орбіталі, його гантелеобразная симетричне хмара витягнуто уздовж нормалі площини (рисунок 2). Така гібридизація спостерігається в етилену, графіті, бензолі та інших ароматичних сполуках. Зв'язки між атомами в цьому випадку здійснюється трьома - зв'язками і однієї - зв'язком.
Малюнок 1.2 - Схема тригональной моделі
Третє валентное sp- стан атомів вуглецю відзначається в деяких речовинах з потрійними зв'язками між вуглецевими атомами. Воно описується діагональною моделлю і характерно для ацетилену (HC CH), синильної кислоти (HC N) та ін. Потрійна вуглецевий зв'язок відповідає одній трьома - зв'язку і двом - зв'язкам. Це валентний стан (sp- гібридизації) виникає при змішуванні одного s- електрона з одним p- електроном, після чого вони утворюють дві гібридні орбіталі, що мають вигляд асиметричних гантелей. Ці орбіталі беруть участь в утворенні - зв'язків, кут між якими 180 °. Два інші електрона утворює - зв'язку.
Таким чином, в вуглецевих матеріалах можуть реалізуватися два основних типи ковалентних зв'язків: і. Перші утворюються за рахунок перекриття електронних хмар у напрямку зв'язків (малюнок 1.3).
Малюнок 1.3 - Схема - зв'язки
Зв'язок, що утворюється за рахунок бічного перекриття p-орбіталей перпендикулярно лінії зв'язків, називається - зв'язком (малюнок 1.4). Вона менш міцна, ніж - зв'язок, оскільки перекритті електронних орбіталей при - слабше. Таким чином, зв'язки в з'єднаннях з s - гібридизацією - це чотири - зв'язки, для...
