Fosforus putih yang tertutup dalam nanotube, berubah menjadi "merah jambu" • Arkady Kuramshin • Berita sains mengenai "Elemen" • Kimia, Nanoteknologi

Fosforus putih terbungkus dalam nanotube, berubah menjadi “merah jambu”

Rajah. 1. Ahli kimia dari UK nanotube karbon yang dipenuhi dengan molekul fosforus putih tunggal (di sebelah kiri) dan mendedahkan keadaan di mana molekul-molekul ini ditukar menjadi filamen polimer "fosfor merah jambu" – sebatian pertengahan antara fosforus merah putih berbahaya dan kurang berbahaya, yang digunakan, antara lain, dalam pengeluaran padanan. Gambar dari artikel dibincangkan diEdisi Antarabangsa Angewandte Chemie

Para penyelidik dari UK berjaya mengasingkan rantai molekul fosforus putih yang memperlihatkan aktiviti kimia tinggi dalam nanotube karbon berdinding tunggal. Melancarkan satu sama lain, molekul ini membentuk struktur polimer, yang dipanggil "fosfor merah jambu". Allotrope baru akan membolehkan para saintis mengetahui lebih lanjut mengenai sifat-sifat salah satu unsur yang paling reaktif Sistem Periodik, serta untuk mengesan tahap pertama transformasinya dari fosforus aktif putih ke modifikasi allotropic yang lebih inert – fosfor merah.

Allotropy (dari bahasa Yunani allos – "lain" dan tropos – "tanda") ialah kewujudan dua atau lebih bahan mudah dibentuk oleh atom unsur kimia yang sama dan berbeza dalam struktur dan sifatnya.Bahan-bahan ini dipanggil pengubahsuaian allotropic (atau allotropes) dari elemen ini. Allotropy disebabkan oleh susunan atom yang berlainan dalam kekisi kristal (jika kita bercakap tentang beberapa pengubahsuaian alotropi pepejal) atau kemungkinan unsur yang membentuk beberapa jenis molekul dengan komposisi yang berlainan (jika kita bercakap mengenai bahan dengan struktur molekul). Allotropes karbon adalah kristal berlian, grafit dan graphene (semuanya terdiri daripada atom karbon), struktur molekul adalah allotropes oksigen dioxygen O2 dan ozon Oh3, allotropes karbon fullerenes C60Dengan70serta fosforus.

Pengubahsuaian allotropik klasik fosforus telah lama diketahui. Pertama sekali, ia adalah fosforus putih yang sangat reaktif, bersinar dalam kegelapan dan toksik kepada manusia. Ia terdiri daripada molekul P.4di mana atom-atom fosforus terletak di puncak-puncak tetrahedron. Kedua, fosforus merah yang lebih stabil dan kurang toksik, yang digunakan dalam pembuatan padanan. Ia adalah polimer kompleks di mana benang atom fosforus dijahit bersama; molekulnya jauh lebih besar daripada fosforus putih. Satu lagi allotrope fosforus adalah fosforus hitam secara eksklusif, struktur kisi kristal yang sama dengan struktur grafit.

Sepanjang masa ini, ahli kimia tahu apa syarat yang perlu dibuat untuk mengubah satu pengubahsuaian kepada yang lain, tetapi mereka praktikal tidak membayangkan apa yang sebenarnya berlaku kepada atom-atom dari ahli falsafah apabila fosforus putih menjadi merah (proses ini tidak dipelajari sama ada secara eksperimen atau menggunakan simulasi kimia kuantum) , dan merah – hitam. Minat dalam kimia pengubahsuaian allotropic fosfor diperbaharui hanya seratus tahun selepas penemuan fosforus hitam, pada tahun 2014, apabila satu lagi allotrope unsur ini ditemui – fosforus (lihat Han Liu et al., 2014). Mobiliti), analog fosforik graphene.

Salah satu sebab untuk jurang ini dalam pengetahuan kita tentang peralihan fosforus allotropic ialah fosforus putih adalah zat aktif yang sangat berbahaya dan kimia yang dapat menyala secara spontan daripada bersentuhan dengan udara. Produk pembakarannya, fosforus oksida P4O10, bertindak balas dengan wap air, menghasilkan asid fosforik yang sangat menghakis H3PO4. Bagi simulasi komputer bagi proses pempolimeran di mana sebilangan besar zarah terlibat, ia memerlukan penggunaan kuasa pengiraan yang penting, yang tidak selalu tersedia.

Percubaan terdahulu untuk "menjinakkan temperamen" fosforus putih membenarkan perkembangan sel-sel "supramolekul" (lihat kimia Supramolekul), yang boleh menampung hanya satu molekul P.4 (lihat Prasenjit Mal et al., 2009). White Phosphorus adalah Kapsul Tetrahedron Sendiri yang Ditapis Udara). Bekas molekul sedemikian, dalam satu tangan, memungkinkan untuk mengelakkan tindak balas fosforus putih dengan wap air, tetapi sebaliknya, mereka tidak dapat berfungsi sebagai sistem untuk mengkaji peralihan allotropik dari fosforus putih menjadi merah. Hakikatnya ialah fosfor merah adalah struktur polimer, dan tindak balas penambahan P molekul diperlukan untuk penukaran fosforus putih menjadi merah.4 satu sama lain, dan takungan supramolekul mengasingkannya dan dengan itu membuat reaksi sedemikian tidak mungkin.

Dalam kumpulan University College London profesor Christoph Salzmann (Christoph G. Salzmann) memutuskan untuk menggunakan satu lagi versi "sel" untuk fosforus putih. Para penyelidik cuba mengasingkan molekulnya dari oksigen dan kelembapan di udara, tetapi pada masa yang sama memberi mereka peluang untuk mendekati satu sama lain. Untuk menyelesaikan masalah ini sebagai bekas untuk membungkus molekul P4 Nanotube karbon berdinding tunggal (SWCNTs) dengan diameter dalaman 8.1 Å telah dipilih.SWCNT adalah satu lagi pengubahsuaian alotropik karbon, yang boleh diwakili sebagai lembaran graphene yang dilancarkan ke dalam tiub. Walaupun diameter dalaman nanotub terpilih untuk eksperimen ini agak sesuai untuk saiz penyediaan sebatian termasuk P4@ SWCNT, tugas yang paling sukar ialah mengisi nanotube dengan fosforus putih. Di sini kita perlu "merendam" nanotub karbon di fosforus putih cair untuk masa yang lama, dan untuk melakukan kerja sedemikian, kita benar-benar memerlukan tangan emas dan saraf keluli, kerana, seperti yang dinyatakan di atas, allotrope fosforus ini mudah menyala sendiri.

Untuk operasi, tiub karbon berdinding tunggal diambil, ditutup dengan kepala hemisfera di satu sisi, yang menyekat akses oksigen, air dan bahan lain ke molekul P4. Sebaliknya, nanotube terbuka. Melalui bukaan terbuka ("leher") mereka mendapat molekul P4, dan selepas mengisi tiub, mereka terdedah kepada udara, yang mengoksidakan molekul-molekul di sekeliling lehernya. Pada masa yang sama, produk pengoksidaan memainkan peranan gabus, yang memisahkan fosforus putih di dalam nanotube.

Untuk membuktikanbahawa nanotube dipenuhi, sebatian inklusi yang terhasil (sebatian ini dibentuk oleh kemasukan molekul tetamu dalam rongga satu molekul tuan rumah yang besar; lihat juga molekul terikat Hidrogen yang ditangkap dalam sel fullerene, Elemen, 30 Mei 2017) dipelajari satu set kaedah fizikal, termasuk mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM; lihat mikroskop elektron penghantaran). Hasil kajian menunjukkan bahawa molekul P4 Nanotub karbon dipenuhi, seperti kacang yang disusun dalam polong (Rajah 2).

Rajah. 2 Seperti kacang polong: nanotube karbon berdinding tunggal (SWCNT) yang dipenuhi dengan molekul fosforus putih P4; a) – imej nanotube karbon berdinding tunggal dengan rangkaian molekul P yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM)4 di dalam. b) – imej diserlahkan pada (aa) plot selepas penindasan bunyi; c) – simulasi imej HRTEM; d) – struktur skematik kompaun kemasukan P4@ SWCNT. Skala Imej b)d) yang sama. Gambar dari artikel dibincangkan di Edisi Antarabangsa Angewandte Chemie

Mikroskop elektron bukan sahaja dibenarkan mengesahkan struktur sebatian inklusi: mengejutkan penyelidikdidapati bahawa rasuk elektron diperlukan untuk mendapatkan imej dalam kaedah HRTEM yang memulakan silang silang molekul P4 dalam struktur rantaian – bentuk fosforus allotropic baru, "fosforus merah jambu" (Rajah 3). Nama baru fosforus ini diberikan pada andaian bahawa pembentukan rantai polimer linear dari atom fosforus mewakili peringkat pertama peralihan fosforus putih menjadi merah. Adalah mungkin bahawa, di luar nanotube karbon, rantai fosforus merah jambu mula berinteraksi antara satu sama lain, membentuk polimer silang silang, yang dikenali kepada kita sebagai fosfor merah.

Rajah. 3 Pempolimeran P molekul4 di dalam nanotube karbon berdinding tunggal. a) dan b) – imej nanotube karbon berdinding tunggal dengan produk pempolimeran fosforus yang diperoleh menggunakan HRTEM; c) – imej diserlahkan pada (ba) plot selepas penindasan bunyi; d) – simulasi imej HRTEM; e) – struktur skematik sambungan rantai zigzag dimasukkan P4@ SWCNT. Skala Imej c)e) yang sama. Gambar dari artikel dibincangkan di Edisi Antarabangsa Angewandte Chemie

Benang fosforus merah jambu yang diperolehi dalam nanotube menarik bukan sahaja sebagai perantaraan dalam peralihan allotropik.Pengiraan awal telah menunjukkan: ada kemungkinan alotrope seperti fosforus mempunyai sifat elektronik yang menarik. Walau bagaimanapun, untuk mengetahui, adalah perlu untuk membangunkan kaedah untuk menilai sifat-sifat elektronik rantai fosfor merah jambu, yang akan menghapuskan kesan nanotube karbon pada keputusan pengukuran: hakikatnya adalah SWCNT adalah konduktor yang baik.

Sekiranya anda menukar diameter nanotube dan belajar memasukkan beberapa "benang" dari P4, maka ahli kimia akan cepat dan lambat dapat melihat bukan hanya pembentukan satu helai dari atom fosforus, tetapi juga silang silang helai tersebut – mungkin, langkah seterusnya dalam peralihan "fosforus putih – fosfor merah". Penyelidik telah menjalankan simulasi komputer reaksi yang boleh berlaku dengan penyertaan molekul P.4 dan produk-produk transformasi mereka dalam nanotube diameter yang lebih besar, dan membuat beberapa andaian tentang struktur mana yang paling mungkin diperolehi daripada atom karbon dalam nanoreactors tersebut.

Sumber: Martin Hart et al. Fosforus Di dalam Pengekalan dan Polimerisasi Nanotubes Karbon Putih // Edisi Antarabangsa Angewandte Chemie. 2017. Manuskrip Pengarang yang Diterima. DOI: 10.1002 / anie.201703585.

Lihat juga:
Molekul terikat hidrogen ditangkap dalam sel fullerene, "Elements", 05/30/2017.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: