2.3.2 Строение и разновидности атома углерода
Рассмотрим это на наиболее известном примере углерода, С (carboneum), неметаллического химического элемента IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) Периодической системы элементов.
Строение атома углерода. Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода – 13C (ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный изотоп 14C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий β-излучением. В нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде СO2.
У углерода три аллотропические модификации – алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 6,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С–С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С–С (длина связи 1,54 Å, отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 Å) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550°C).
Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит – мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом×см).
Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах, в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527°C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780°C.
Структура графита (рис. 6,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Å (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 Å) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита – эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3, алмаза – 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита.
Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода.
При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит ↔ алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов.
К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь – примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты – коксовый газ (H2, CH4, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д.
Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260°\up6 (процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и электродов, в частности для электролитического получения металлов.
В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники, образующие молекулу С60 по форме полого шара, имеющего совершенную симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе «геодезического купола», изобретенного американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван «бакминстерфуллеренами» или «фуллеренами» (а также более коротко – «фазиболами» или «бакиболами»). Фуллерены – третья модификация чистого углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более) атомов, – была получена действием лазерного излучения на мельчайшие частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С60 ~ 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана.
Сейчас их интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – фуллерен-60 (C60) (его называют иногда бакминстер-фуллерен), в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C70 и C84. Фуллерен С60 получают испарением графита в атмосфере гелия. При этом образуется мелкодисперсный, похожий на сажу порошок, содержащий 10% углерода; при растворении в бензоле порошок дает раствор красного цвета, из которого и выращивают кристаллы С60. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, как бы состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству C60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.
Очевидно, что для этих таких разных состояний одного и того же элемента должны быть 3 различных пространственных формы ориентации и радиусов орбит ядерных фокусов. Именно по этим фокусам и формируются ядерные связи, определяющие форму кристаллической решетки и свойства твердых тел.
У металлов различные ядерные частоты и пространственное расположение фокусов оболочки ядра дают различные кристаллические решетки и свойства металла, например, α- и β- кристаллические решетки олова, железа.
Само состояние и физические свойства кристаллической решетки напрямую зависят от расположения фокусов ядерных орбит адронов атома. Вращение нейтрона и протона по своим орбитам со свойственной атомам частотам вызывают колебания атомов кристаллической решетки, и чем выше энергия движения, тем выше амплитуда этих колебаний. При превышении порога устойчивости, характерного для данного орбитального состояния адронов, происходит перефокусировка их ядерных орбит в иное состояние динамической устойчивости на более высоком уровне энергии. Происходит плавление или испарение кристалла. Вот так просто объясняются тепловое расширение и плавление кристаллов – все дело в пороге равновесного состояния орбит адронов и их ядерных фокусов.
Аналогично формируется динамическое равновесие менее энергоемких орбитальных структур электронных оболочек. На каждом уровне энергии адронов ядра фокусам их ядерных оболочек соответствуют фокусы электронных оболочек, причем их взаимное расположение в пространстве строго фиксировано в пределах равновесного состояния (на схеме ядра атома водорода указан как угол Θ). По электронным фокусам формируются электронные (химические) связи с иными элементами, и именно этим определяется пространственная форма молекул химических соединений.
При изменении состояния орбит адронов и, соответственно, орбитальных фокусов электронных оболочек, меняется как форма молекул, их свойства, так и химический состав соединений.
Слишком очевидно, что при воздействии на форму расположения фокусов ядерных и электронных орбиталей, можно ускорять или замедлять химические реакции (катализ).
Схема «двойной звезды» и орбитальных структур на ее основе тем и хороша, что позволяет вести математические расчеты равновесного состояния адронов ядерного облака на различных уровнях его энергии. Можно заранее рассчитать влияние избыточного или недостаточного количества протонов (ряд нуклидов) или при балансе протонов и недостатке нейтронов рассчитать изотопный ряд. Математическая модель ядра атома позволит обосновать изотопную или нуклидную неустойчивость, а также влияние примесей ядер иных элементов (катализаторов) на активность ядра в сильном взаимодействии. Кроме того, все это можно делать с параллельным расчетом электронных оболочек и влияния на их активность как особенностей нуклидов или изотопов, так и примесей (катализаторов) в конкретных реакциях. В расчет можно вводить и влияние волнового катализа в виде излучений различной частоты, интенсивности и модуляции, включая торсионную.
Таким образом, «на кончике пера» можно заранее просчитать все оптимальные параметры химических реакций по получению веществ и материалов с точно заданными свойствами, и вести эти реакции в энергетически выгодных режимах, при номинальных значениях температур и давлений. Все это позволит не только поднять качество продукции производства материалов, но и существенно снизить энергоемкость производств и материалоемкость его оборудования. Речь идет не о «поиске вслепую», а об обоснованных путях повышения качества, ассортимента продукции и рентабельности производства.
Такой подход позволит избежать и вредных отходов производства, заранее планируя его экологически чистым.
Это технология будущего, а путь к ней лежит через понимание Истины атомного ядра. Самыми дорогими и востребованными технологическими продуктами будущего будут являться базы данных по ядерным и электронным оболочкам химических элементов и программное обеспечение их расчета для получения химических соединений и назначения технологических режимов производства нужных материалов.
