Дипломная "Электронное строение и оптические свойства изомера #4 фуллерена С84"
Выберите тип работы
Заказать работу

300 рублей на первый заказ
вам Нужна Дипломная работа ?

Интересует курсовая на тему предприятие?

  • Оставьте заявку на Дипломную работу

  • Получите бесплатную консультацию по написанию

  • Сделайте заказ и скачайте результат на сайте

Электронное строение и оптические свойства изомера #4 фуллерена С84

Дипломная работа

Хотите заказать работу на тему "Электронное строение и оптические свойства изомера #4 фуллерена С84"?

25 страниц

35 источников

Опубликовано: studservis

5130 ₽

10260 ₽

Скачать превью Скачать в 1 клик

Фрагмент для ознакомления 1

Оглавление
Введение 3
1 Структура и электронные свойства фуллерена С84 5
2 Энергетический спектр и спектры оптического поглощения изомеров фуллерена С84 14
Заключение 20
Список литературы 22

Фрагмент для ознакомления 2

Введение
Исследование молекулярного строения и электронной структуры фуллеренов является одной из важнейших задач современной физики. Это объясняется тем, что появилась совершенно новая – молекулярная форма существования углерода, представляющая собой замкнутые углеродные кластеры, способные заключать внутри себя отдельные атомы и даже целые молекулы. Снаружи подобные углеродные структуры способны участоввать в химических реакциях. Данные свойства являются необычными с точки зрения теоретической физики и химии. Поэтому, дальнейшее изучения физико-химических свойств высших фуллеренов, в частности фуллерена С84, является актуальной проблемой современной физической и химической науки.
Объектом данного исследования являются высшие фуллерены.
Предметом данного исследования является фуллерен С84.
Целью данного исследования является изучение электронной структуры и спектр оптического поглощения (СОП) фуллерена С84.
Для того, чтобы достичь поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать электронную структуру фуллерена С84 и его изомеров;
- описать и проанализировать спектр оптического поглощения фуллерена С84 и его изомеров.
Степень разработанности. В настоящее время исследованию молекулярной структуры фуллеренов посвящено множество работ как отечественных, так и зарубежных авторов.
Однако, многие физико-химические свойства высших фуллеренов далеки от полного понимания и требуют дальнейших исследований. Тем более, что свойства новых, еще не синтезированных изомеров, невозможно полностью предсказать.
В своем исследовании автор опирался на труды отечественных и зарубежных ученых.
Теоретическая и практическая значимость. Данное исследование имеет как теоретическую, так и практическую направленность. Его результаты могут быть использованы для дальнейшего изучения физико-химических свойств высших фуллеренов.
Теоретико-методологическая направленность работы состоит в изучении молекулярной и электронной структуры фуллерена С84, а также его спектра оптического поглощения.
Результаты данной работы могут быть использованы для объяснения физико-химических свойств новых синтезированных высших фуллеренов.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.
В первой главе рассматривается и анализируется электронная структура фуллерена С84 и его изомеров.
Во второй главе анализируется спектр оптического поглощения изомера 11 фуллерена С84.











1 Структура и электронные свойства фуллерена С84
Фуллерен С84 является третьим наиболее часто встречающимся фуллереном после фуллеренов С60 и С70. Он в значительных количествах присутствует в фуллереновой саже [1]. Но, в отличие от двух вышеупомянутых фуллеренов, имеющих согласно правилу изолированных пентагонов всего по одному изомеру, фуллерен С84 может иметь 24 изомера [2]. Без учета данного правила число изомеров фуллерена С84 может достигать 51592.
Два основных изомера, 23(D2) и 22 (D2), были обнаружены методом 13С ЯМР в соотношении 2:1 и, далее, разделены методом рециркулирующей высокоэффективной жидкостной хроматографии [3-4]. Структурные и электронные свойства обозначенных изомеров сходны с изомерами С60 и С70, что и определило методы их экспериментального исследования. Методом 3Н было обнаружено 9 изомеров [5] С84, которые попытались идентифицировать методами 13С ЯМР и ИК-спектроскопии [6]. После разделения изомеры с высокой симметрией 24(D6h) и 19 (D3d) были идентифицированы методами 13С ЯМР и абсорбционной спектроскопии в УФ-, видимой и ИК-областях [7-8]. После Денис и его сотрудники [9] с помощью метода многостадийной жидкостной хроматографии разделили пять изомеров: два изомера с симметрией Сs и три изомера С2, D2d и D2, которые были идентифицированы как 4 (D2d), 5 (D2), 11 (С2) и 16 (Сs), еще один изомер с симметрией Сs не был идентифицирован. В работе [10] сообщается синтезе и идентификации изомера 14 (Сs), еще одного пустого изомера фуллерена С84.
Таким образом, из 24 возможных изомеров фуллерена С84 идентифицировано только 11 изомеров: 4 (D2d), 5 (D2), 11 (С2) и 16 (Сs), 19 (D3d), 24(D6h), 22 (D2), 23(D2d) и два не охарактеризованных изомера С2 и Сs. В работе [11] была предложена возможность получения изомера 20 (Тd) путем прямого химического синтеза из предварительно синтезированного прекурсора, но пока подобные попытки успехом не увенчались.
Существенную роль в идентификации изомеров, помимо экспериментальных исследований, сыграли квантово-химические расчеты. Например, уже первое полное исследование всех двадцати четырех изомеров фуллерена С84 методом молекулярной динамики показало возможность сосуществования двух наиболее стабильных изомеров 23(D2d) и 22 (D2) [12]. Проведенные полуэмпирические расчеты подтвердили данный результат [13-14]. Так, методом хюккелевских орбиталей были рассчитаны порядки π-связей для определения наиболее реакционноспособных областей на фуллереновой оболочке для обозначенных наиболее стабильных изомеров [15]. При этом и более ранние теоретические исследования фуллеренов С84 сосредотачивались на теоретическом предсказании относительных энергий и ЯМР спектров различных изомеров посредством различных уровней приближения [16-19]. Согласно теоретическим исследованиям, полученные экспериментально изомеры оказываются наиболее выгодными по энергиям (Рис.1).
Из Рис. 1 видно, что некоторые изомеры имеют сравнимые относительные величины полных энергий с уже синтезированными и выделенными изомерами, но, в настоящий момент они пока не синтезированы, и нельзя пока судить о перспективах их получения, так как порядок изомера зависит от уровня расчета. Уровень порядка изомеров на шкале относительных энергий существенно зависит от уровня приближения: если расположить изомеры на шкале относительных энергий по мере возрастания согласно DFT-расчетам, то некоторые кривые, например, кривые Хартли-Фока, будут выделяться из общей тенденции.
На Рис. 2 представлены структуры девяти экспериментально полученных изомеров. Анализ структур полученных изомеров показал присутствие в изомерах 4 (D2d), 5 (D2), 11 (C2), 19 (D3d), 22 (D2) и 23 (D2d) (Рис. 2 а, б, в, е, ж, з) только корануленовых и индаценовых субструктур, в изомерах 14 (Cs) и 16 (Cs) (Рис. 2, г, д) по одной короненовых субструктур, а в изомере 24 (D6h) наблюдается уже две таких субструктуры.

Фрагмент для ознакомления 3

Список литературы
1. Коваленко, В.И. Строение и стабильность высших фуллеренов / В.И. Коваленко, А.Р. Хаматгалимов. – Москва. – 2019. – С.100-107.
2. Fowler, P. An Atlas of Fullerenes / P. Fowler, D. Manolopoulos. – Oxford: Clarendon Press. - 1995. – 392 с.
3. Kikuchi, K. NMR characterization of isomers of C78, C82 and C84 fullerenes / K. Kikuchi, N. Nakahara, T. Wakabayashi, S. Suzuki, H. Shiromaru, Y. Miyake, K. Saito, I. Ikemoto, M. Kainosho, Y. Achiba // Nature. – 1992. – V. 357.
– P. 142-145.
4. Manolopoulos, D. E. An end to the search for the ground state of C84? / D. E. Manolopoulos, P. W. Fowler, R. Taylor, H. W. Kroto, D. R. M. Walton // J. Chem. Soc., Faraday Trans. – 1992. – V. 88. – P. 3117-3118.
5. Saunders, M. Analysis of isomers of the higher fullerenes by 3He NMR
spectroscopy / M. Saunders, H. A. Jimйnez-Vбzquez, R. J. Cross, W. E. Billups,
C. Gesenberg, A. Gonzalez, W. Luo, R. C. Haddon, F. Diederich, A. Herrmand //
J. Am. Chem. Soc. – 1995. – V. 117. – P. 9305-9308.
6. Avent, A. G. The minor isomers and IR spectrum of 84fullerene/ A. G. Avent, D. Dubois, A. Penicaud, R. Taylor // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. –
1997. – P. 1907-1910. 7. Taylor, R. 13C NMR spectroscopy of C76, C78, C84 and mixtures of C86–C102; anomalous chromatographic behaviour of C82, and evidence for C70H12 / R. Taylor, G. J. Langley, A. G. Avent, T. J. S. Dennis, H. W. Kroto, D. R. M. Walton // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2. – 1993. – P. 1029-1036. 8. Tagmatarchis, N. Separation, isolation and characterisation of two minor isomers of the 84fullerene C84 / N. Tagmatarchis, A. G. Avent, K. Prassides, T. J.
S. Dennis, H. Shinohara // Chem. Commun. – 1999. – P. 1023-1024.
9. Dennis, T. J. S. Isolation and characterization by 13C NMR spectroscopy of С84 fullerene minor isomers / T. J. S. Dennis, T. Kai, K. Asato, T. Tomiyama, H. Shinohara, T. Yoshida, Y. Kobayashi, H. Ishiwatari, Y. Miyake, K. Kikuchi, Y. Achiba // J. Phys. Chem. A. – 1999. – V. 103. – P. 8747-8752.
10. Epple, L. Crystallographic characterization and identification of a minor isomer of C84 fullerene / L. Epple, K. Amsharov, K. Simeonov, I. Dix, M. Jansen // Chem. Commun. – 2008. – P. 5610-5612.
11. Amsharov, K. Synthesis of a higher fullerene precursor—an «unrolled» C84
fullerene / K. Amsharov, M. Jansen // Chem. Commun. – 2009. – P. 2691-2693.
12. Zhang, B. L. Search for the ground-state structure of C84 / B.L. Zhang, C.Z. Wang, K. M. Ho // J. Chem. Phys. – 1992. – V. 96. – P. 7183-7185.
13. Sun, G. Isomer identification for fullerene C84 by 13C NMR spectrum: a Density-Functional Theory study / G. Sun, M. Kertesz // J. Phys. Chem. A. – 2001. – V. 105. – P. 5212-5220. 14. Bühl, M. Computational evidence for a new C84 isomer / M. Bühl, C. van Wüllen // Chem. Phys. Lett. – 1995. – V. 247. – P. 63-68.
15. Taylor, R. C60, C70, C78, and C84: numbering, p-bond order calculations and addition pattern considerations / R. Taylor // Chem. Soc. Perkin Trans. – 1993. – V. 2. – P. 813-824.
16. Cioslowski, J. Standard enthalpies of formation of fullerenes and their dependence on structural motifs / J. Cioslowski, N. Rao, D. Moncrieff // J. Am.
Chem. Soc. – 2000. – V. 122. – P. 8265-8270.
17. Chen, Z. Endohedral chemical shifts in higher fullerenes with 72-86 carbon atoms / Z. Chen, J. Cioslowski, N. Rao, D. Moncrieff, M. Bьhl, A. Hirsch, W. Thiel // Theor. Chem. Acc. – 2001. – V. 106. – P. 364-368.
18. Zheng, G. Performance of the DFTB method in comparison to DFT and semiempirical methods for geometries and energies of C20–C86 fullerene isomers
/ G. Zheng, S. Irle, K. Morokuma // Chem. Phys. Lett. – 2005. – V. 412. – P. 210-216.
19. Fowler, P. W. Charging and equilibration of fullerene isomers / P.W. Fowler, F. Zerbetto // Chem. Phys. Lett. – 1995. – V. 243. – P. 36-41.
20. Nagase, S. Structural study of endohedral dimetallofullerenes Sc2@C84 and Sc2@C74 / S. Nagase, K. Kobayashi // Chem. Phys. Lett. – 1997. – V. 276. – P. 55-61. 21. Nishikawa, T. A theoretical study on vibrational spectra of C84 fullerenes: results for C2, D2, and D2d isomers / T. Nishikawa, T. Kinoshita, S. Nanbu, M. Aoyagi // J. Mol. Struct. (Theochem). – 1999. – V. 461-462. – P. 453-461.
22. Khamatgalimov, A. R. Unusual pentagon and hexagon geometry of three isomers (№ 1, 20, and 23) of fullerene C84 / A. R. Khamatgalimov, A. V. Lu-zhetskii, V. I. Kovalenko // Int. J. Quant. Chem. – 2008. – V. 108. – № 8. – P.
1334-1339.
23. Хаматгалимов А.Р., Коваленко В.И. Деформация и термодинамическая нестабильность фуллеренового каркаса C84 // Ж. физ. хим. – 2010. – Т. 84. - № 4. – С. 721-726.
24. Khamatgalimov, A. R. 24 IPR isomers of fullerene C84: cage deformation as geometrical characteristic of molecular local strains / A. R. Khamatgalimov, V. I. Kovalenko // Int. J. Quant. Chem. – 2012. – V. 112. – № 4. – P. 1055-1065.
25. Коваленко В.И. Закономерности молекулярного строения стабильных фуллеренов // Усп. хим. – 2006. – Т. 75. - № 11. – С. 1094-1102.
26. Хаматгалимов А.Р. Строение и стабильность высших фуллеренов в ряду С60-С86: дисс…на соиск. ст. докт. хим. наук: 02.04.04 / Хаматгалимов Айрат Раисович. – Казань, 2003. – 273 с.
27. Bühl, M. The relation between endohedral chemical shifts and local aromaticities in fullerenes / M. Bühl // Chem. Eur. J. – 1998. – V. 4. – № 4. – P.
734-739.
28. Тамм Н.Б. Сидоров Л.Н., Троянов С.И. Исследования в области высших фуллеренов // Весник Московского университета. – Серия химия. – 2009. – Т. 50. - № 6. – С. 419.
29. Osawa E, Ueno H., Slanina L., Zhao X., Nishiyama M., Saito H. // J. Chem. Soc. – 1998. – Perkin. Tranc. 2. – P. 943.
30. Busygina Helena L. Optical Spectra and Electronic Structure of Fullerenes // Nanotechnology Research and Practice. – 2017. – V. 4 (1). – P. 31-32.
31. Goodwin L.A new tight binding parametrization for carbon// J. Phys.: Cond. Matter. – 1991.– V.3. – № 22. – P. 3869-3873.
32. Синицын Н.И., Гуляев Ю.В., Глухова О.Е., Жбанов А.И., Буянова З.И., Торгашов Г.В., Торгашов И.Г., Савельев С.Г., Горфинкель Б.И., Абаньшин Н.П.,Коннов Н.П., Волков Ю.П., Дружинин А.А. Исследование возможностей построения новых вакуумных индикаторов и дисплеев на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных автокатодов // Радиотехника. – 2005. – № 4. – С. 35-40.
33. Olga E. Glukhova Dimerization of miniature C20 and C28 fullerenes in nanoautoclave // Journal of Molecular Modeling. – 2011. – V. 17, Issue 3. – P. 573-576.
34. Goodwin L., Skinner A. J. And Pettifor D. G. Generating Transferable Tight-Binding Parameters: Application to Silicon // Europhys. Lett. − 1989. − V. 9− № 7. − Р.701-706.
35. Глухова О.Е., Жбанов А.И. Равновесное состояние нанокластеров С60,С70, С72 и локальные дефекты молекулярного остова // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45. – Вып.1. – С. 180-186.

Узнать стоимость работы

Заказать другую работу
калькулятор цены
Стоимость без скидки:
(скидка до 700 рублей)
* — точная стоимость будет определена после уточнения сроков сдачи работы, количества страниц и уровня исполнения.