Buckminsterfullereen

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Buckminsterfullereen
Structuurformule en molecuulmodel
Eén Lewisstructuur van buckminsterfullereen (van 12.400 mogelijkheden)
Eén Lewisstructuur van buckminsterfullereen (van 12.400 mogelijkheden)
Oplossing van buckminsterfullereen in benzeen
Oplossing van buckminsterfullereen in benzeen
Zuiver buckminsterfullereen
Zuiver buckminsterfullereen
Algemeen
Molecuulformule
     (uitleg)
C60
Molmassa 720,66 g/mol
SMILES
C12=C3C4=C5C6= C1C7=C8C9 =C1C%10= C%11C(=C29)C3= C2C3=C4C4=C5C5=C9C6 =C7C6=C7C8= C1C1=C8C%10= C%10C%11=C2C2=C3C3 =C4C4=C5C5= C%11C%12 =C(C6=C95)C7= C1C1=C%12C5 =C%11C4=C3C3= C5C(=C81) C%10=C23
InChI
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
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
Schadelijk
Waarschuwing
H-zinnen H319 - H335
EUH-zinnen geen
P-zinnen P261 - P305+P351+P338
Fysische eigenschappen
Aggregatietoestand vast
Kleur bruin-zwart
Goed oplosbaar in 1,2,4-trichloorbenzeen, koolstofdisulfide
Slecht oplosbaar in organische oplosmiddelen
Onoplosbaar in water
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal  Portaalicoon   Scheikunde

Buckminsterfullereen is een allotroop van koolstof die opgebouwd is uit moleculen van 60 koolstofatomen, die zijn gerangschikt in de vorm van een afgeknotte icosaëder, gelijkend op een voetbal. Deze stof is de eenvoudigste en bekendste van de fullerenen. Buckminsterfullereen is één van de meest symmetrische moleculen en behoort tot puntgroep Ih.[1] Informeel spreekt men van buckybal of buckyball.

Herkomst van de naam[bewerken]

Fullerenen in het algemeen en buckminsterfullereen in het bijzonder zijn genoemd naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, omdat de moleculaire vorm van deze stoffen doet denken aan de structuur van zijn geodetische koepels.

Synthese[bewerken]

Buckminsterfullereen kan gemaakt worden door een krachtige elektrische stroom door twee dicht bij elkaar geplaatste grafiet-elektrodes te laten lopen onder een inerte atmosfeer. Het grafiet verdampt daardoor en slaat gedeeltelijk neer als buckminsterfullereen.

Buckminsterfullereen kan ook vanuit eenvoudige basischemicaliën gemaakt worden met een klassieke organische synthese, maar de opbrengst is in dat geval zeer laag (minder dan 1%). Het kan gezuiverd worden door een kolomchromatografie met tolueen als eluens.

Chemische eigenschappen[bewerken]

Insluitverbindingen[bewerken]

Door hun bolvorm is het mogelijk om in een fullereenmolecuul een ander klein molecuul of een atoom in te sluiten, bijvoorbeeld een heliumatoom. De notatie voor de bijzondere insluitverbinding die dan ontstaat is He@C60.

Fulleriden[bewerken]

Een andere klasse afgeleid van buckminsterfullereen (en fullerenen in het algemeen) zijn de fulleriden. Dit zijn (vaste) verbindingen met bijvoorbeeld kalium (of andere alkalimetalen) waarin het fullereen als oxidator optreedt. Zowel K3C60 als K6C60 zijn bekend. De eerste stof is paramagnetisch, de tweede diamagnetisch zoals C60 zelf en dit hangt ten nauwste samen met de elektronenstructuur van C60.

Elektronische structuur[bewerken]

De elektronische structuur van C60 onder sferische en icosaëdrische symmetrie.

Het is mogelijk de elektronische structuur te benaderen vanuit een perspectief van de Lewistheorie en ieder atoom te verbinden met zijn drie buren met een enkele binding. Het vierde elektronenpaar (één elektron per koolstofatoom) dat nog rest is echter wat problematisch. Net als bij benzeen kunnen we beginnen een dubbele binding naar één van de buren te tekenen, maar dit kan op verschillende manieren. Heel veel verschillende manieren: in plaats van slechts twee alternatieve 'resonantie'structuren zijn er bij C60 wel zo'n 12.400 mogelijkheden.[2]

In analogie van benzeen is het beter het probleem aan te pakken met moleculaire orbitalen. Het volstaat in eerste instantie de discussie te beperken tot het overblijvende elektron dat in een p-orbitaal loodrecht op het oppervlak van een bol gedacht kan worden. Het vinden van de golfpatronen op het oppervlak van een bol is wiskundig gesproken nauw verwant aan het vinden van de orbitalen van een bolvormig waterstofatoom. Het is zelfs eenvoudiger. Het enige verschil is namelijk dat het probleem twee-dimensionaal is in plaats van drie-dimensionaal. Dit heeft tot gevolg dat er in plaats van drie kwantumnummers n, l en ml slechts twee zijn L en mL. Bij het 3D-problemen resulteren er de 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d ... enz orbitalen. In het 2D geval vervalt het n-getal en zijn er slechts s, p, d, f, g, h, i, enz. Net als bij de orbitalen van het 3D atoom hebben zij een ontaardingsgraad van 1, 3, 5, 7, 9, 11, enz. en kunnen zij dankzij de spin van het elektron 2, 6, 10, 14, 18 en 22 elektronen onderdak bieden. Omdat het ontbreken van het kwamtumgetal n het aantal orbitalen vrij drastisch beperkt, raken -anders dan bij het periodiek systeem- ook g en h-orbitalen gevuld.

Wanneer we de gevonden orbitalen vullen met de resterende 60 elektronen, blijkt dat er 50 van in de s+p+d+f+g passen en er blijven dan 10 elektronen over die in de h-orbitalen gehuisvest moeten worden, waar er plaats is voor 2*11=22 elektronen. Volgens de regel van Hund zou dat resulteren in een paramagnetisch molecule dat als vaste stof hoogstwaarschijnlijk een goede geleider zou zijn. Dit is echter niet geval, C60 heeft namelijk diamagnetische en halfgeleidende eigenschappen, met name bij lage temperaturen. De aanname dat het molecule bolvormig is is echter niet geheel juist. In werkelijkheid is de symmetrie namelijk (een beetje) lager: de ware symmetrie is icosaëdisch net als die van een voetbal. Het is mogelijk de orbitalen te bepalen in deze lagere symmetrie met gebruikmaking van de groepentheorie. Er blijkt dan dat de hoge ontaardingsgraad van de f-, g- en h-orbitalen gebroken wordt. De 7 f-orbitalen die gelijke energie hebben voor een bol splitsen op in een groep van 3 en een groep van 4 die twee verschillende energieën zullen hebben. De 11 h-orbitalen splitsen op in een groep van 5 (Hu) en twee van 3 (T1u en T2u). Dit betekent dat alle elektronen nu gepaard in het vijfvoudig ontaarde niveau Hu geplaatst kunnen worden en dit verklaart de magnetische en elektrische eigenschappen.

Interessanterwijze verklaart het ook de elektrische en magnetische eigenschappen van de fulleriden K3C60 en K6C60. De toevoeging van 3 resp. 6 elektronen vult het lege drievoudig ontaarde niveau T1u gedeeltelijk resp. geheel op. Dit verklaart waarom K6C60 weer diamagnetische halfgeleider is, terwijl K3C60 geleiding vertoont.

Bronnen, noten en/of referenties
  1. (en) W.E. Billups & M.A. Ciufolini (1993) - Buckminsterfullerenes, Wiley-VCH, p. 93
  2. Chemical Bonding and Electronic Structure of Buckminsterfullerene