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Buckminsterfulleren
Strukturformel und Molekülmodell
EIN Lewis-Struktur Buckminsterfulleren (von 12.400 Möglichkeiten)
Lösung von Buckminsterfulleren in Benzol
Reines Buckminsterfulleren
Allgemeines
Molekularformel	C60
Molmasse	720,66 G/Maulwurf
LÄCHELN	C12=C3C4=C5C6= C1C7=C8C9 =C1C = CC(=C29)C3= C2C3=C4C4=C5C5=C9C6 =C7C6=C7C8= C1C1=C8C = CC =C2C2=C3C3 =C4C=4 =C5C5 C1C1=C C5 =C C4=C3C3= C5C(=C81) C =C23
in Chile	1/C60/c1-2-5-6-3(1) 8-12-10-4(1)9-11-7 (2)17-21-13(5)23-24-14(6) 22-18(8)28-20(12)30-26- 16(10)15(9)25-29-19(11)27(17)37- 41-31(21)33(23)43- 44-34(24)32(22)42-38(28)48-40(30) 46-36(26)35(25)45-39(29)47(37)55-49(41)51( 43)57-52 (44)50(42)56(48)59- 54(46)53(45)58 (55)60(57)59
CAS-Nummer	99685-96-8
PubChem	123591
Warnungen und Sicherheitsvorkehrungen
Warnung
H-Sätze	H319 - H335
EUH-Sätze	Nein
P-Sätze	P261 - P305 P351 P338
Physikalische Eigenschaften
Aggregatzustand	Fest
Farbe	Braun schwarz
Gut löslich in	1,2,4-Trichlorbenzol, Schwefelkohlenstoff
schlecht löslich in	organische Lösungsmittel
Unlöslich in	Wasser
Wenn nicht anders angegeben normale Bedingungen gebraucht (298.15k oder 25 °C, 1 Bar).
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Buckminsterfulleren ist ein allotrop von Kohlenstoff. Es ist ein Molekül aus 60 (oder 70) Kohlenstoffatomen, die a abgeschnittenes Ikosaeder angeordnet sind, ähnlich wie a Fußball. Wenn das Molekül 70 Atome hat, nimmt es die Form eines Rugbyballs an. Das Molekül ist na Graphit, Diamant und amorph Kohlenstoff die vierte Form von Kohlenstoff und auch die bekannteste der Fullerene. Buckminsterfulleren ist eines der am meisten symmetrische Moleküle und gehört zur Punktgruppe ich_ha.^[1] Es wird informell als Bucky Ball bezeichnet oder Buckyball.

Etymologie

Fulleren im Allgemeinen und Buckminsterfullerene im Besonderen sind nach dem amerikanischen Architekten Richard Buckminster Fuller genannt, weil die molekulare Form dieser Stoffe an die Struktur ihrer geodätische Kuppeln.

Entdeckung und Bedeutung

Der flämische Astrophysiker Jan Camic wurde in einem Artikel vorgestellt Wissenschaft vom 22. Juli 2010 als Hauptentdecker des Großen anerkannt Kohlenstoffmoleküle, ebenfalls Bucky Bälle oder Buckminsterfulleren, im Universum. Sie sind die größten Moleküle, die jemals im Weltraum gefunden wurden, aber die Molekül wurde bereits in den 1980er Jahren in Labors hergestellt. Die Entdeckung fand statt, als die NASA mit dem Spitzer Weltraumteleskop die Gasrückstände von a Planetennebel untersucht bei ca. 6500 Lichtjahr Entfernung von der Erde. Die Entdeckung wurde unter anderem vom Nobelpreisträger gemacht Harry Kroto als äußerst interessant^[2] bezeichnet, weil es zur Kenntnis der Ursprung des Lebens auf Boden. Die Entdeckung zeigt, dass aufgrund der Auswirkungen von Meteoriten Dieses ursprüngliche Kohlenstoffmolekül landete auf der Erde, woraufhin Kohlenstoff gebildet wurde und sich das erste primitive Leben entwickeln konnte.^[3]

Synthese

Buckminsterfulleren kann durch Anlegen eines starken elektrischen Stroms durch zwei eng beabstandete Elektroden von . hergestellt werden Graphit unter einer inerten Atmosphäre laufen. Dabei verdampft der Graphit und fällt teilweise als Buckminsterfulleren aus.

Buckminsterfulleren kann auch mit einfachen Grundchemikalien durch eine klassische organische Synthese hergestellt werden, jedoch ist die Ausbeute dann sehr gering, weniger als 1%. Es kann gereinigt werden durch a Säulenchromatographie mit Toluol wenn Eluent.

Chemische Eigenschaften

Einbetten von Verbindungen

Aufgrund ihrer Kugelform ist es möglich, in ein Fullerenmolekül ein weiteres kleines Molekül oder ein Atom einzuschließen, zum Beispiel a Heliumatom. Die Schreibweise für die dann entstehende spezielle Einschlussverbindung lautet He@C₆₀.

Fulleride

Eine andere Klasse, die von Buckminsterfullerenen und Fullerenen im Allgemeinen abgeleitet ist, sind die Fulleride. Dies sind (feste) Verbindungen mit z.B. Kalium (oder andere Alkali Metalle), in dem das Fulleren als Oxidationsmittel wirkt. Beide K₃C₆₀ wenn K₆C₆₀ Sind bekannt. Die erste Substanz ist paramagnetisch, der Zweite diamagnetisch wie C₆₀ selbst und dies steht in engem Zusammenhang mit der elektronischen Struktur von C₆₀.

Elektronische Struktur

Die elektronische Struktur von C₆₀ unter kugelförmig und ikosaedrische Symmetrie.

Es ist möglich, sich der elektronischen Struktur aus der Perspektive der Lewis-Theorie und verbinden jedes Atom mit seinen drei Nachbarn durch eine Einfachbindung. Das verbleibende vierte Elektronenpaar, ein Elektron pro Kohlenstoffatom, ist jedoch etwas problematisch. So wie Benzol Wir können beginnen, eine Doppelbindung zu einem der Nachbarn zu zeichnen, aber dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Anstelle von zwei alternativen 'Resonanz'-Strukturen, C₆₀ etwa 12.400 Möglichkeiten.^[4]

In Analogie zu Benzol ist es besser, das Problem mit Molekülorbitalen anzugehen. Es genügt zunächst, die Diskussion auf das verbleibende Elektron zu beschränken, das man sich in einem p-Orbital senkrecht zur Kugeloberfläche vorstellen kann. Mathematisch gesehen ist das Auffinden der Wellenmuster auf der Oberfläche einer Kugel eng mit dem Auffinden der Orbitale eines kugelförmigen Wasserstoffatoms verbunden. Es ist noch einfacher. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Problem zweidimensional und nicht dreidimensional ist. Als Ergebnis werden statt drei Quantenzahlen n, l und m_l nur zwei sind: L und m_l. Im 3d-Problem ergibt sich die Folge von 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d...usw. Orbitalen. Im 2D-Fall zerfällt die n-Zahl und es gibt nur s, p, d, f, g, h, i usw. Wie bei den Orbitalen des 3D-Atoms haben sie a Grad der Entartung von 1, 3, 5, 7, 9, 11 usw. und kann wegen des Spins des Elektrons 2, 6, 10, 14, 18 und 22 Elektronen aufnehmen. Da das Fehlen der Quantenzahl n die Anzahl der Orbitale ganz drastisch einschränkt, anders als bei der Periodensystem - auch gefüllte g- und h-Orbitale.

Wenn wir die gefundenen Orbitale mit den restlichen 60 Elektronen füllen, stellt sich heraus, dass 50 von ihnen in die s p d f g passen, sodass 10 Elektronen in den h-Orbitalen untergebracht sind, wo Platz für 2*11=22 Elektronen ist. Laut der Hunds Regel würde das zu einem führen paramagnetisch Molekül, das als Festkörper höchstwahrscheinlich ein guter Leiter wäre. Dies ist jedoch nicht der Fall, C₆₀ es hat diamagnetische und halbleitende Eigenschaften, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Die Annahme, dass das Molekül kugelförmig ist, ist jedoch nicht ganz richtig: In Wirklichkeit ist die Symmetrie (etwas) niedriger – die wahre Symmetrie ist ikosaedrisch wie die eines Fußballs. Es ist möglich, die Orbitale in dieser niedrigeren Symmetrie mit dem Gruppentheorie. Es scheint dann, dass der hohe Grad der Entartung der f-, g- und h-Orbitale gebrochen ist. Die 7 f-Orbitale, die für eine Kugel die gleiche Energie haben, teilen sich in eine Gruppe von 3 und eine Gruppe von 4 auf, die zwei verschiedene Energien haben. Die 11 h-Orbitale teilen sich in eine Gruppe von 5 (H_Sie) und zwei von 3 (T_1h und T_2h). Das bedeutet, dass jetzt alle Elektronen gepaart im fünffach entarteten Niveau H_Sie platziert werden kann und dies erklärt die magnetischen und elektrischen Eigenschaften.

Dazu gehören interessanterweise auch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Fulleride K₃C₆₀ und K₆C₆₀ erklärt. Die Zugabe von 3 bzw. 6 Elektronen füllen das leere dreifach entartete Niveau T_1h teilweise bzw. ganz auf. Dies erklärt, warum K₆C₆₀ ist ein diamagnetischer Halbleiter, während K₃C₆₀ zeigt Leitfähigkeit.