Шунгіти і фулерени

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Геологічний факультет

Кафедра геології нафти і газу

Група геології нафти і газу

Реферат

на тему: «Шунгіти і фулерени»

Виконала студентка:

Київ - 2013р.

Шунгіт

Шунгіт - це природний мінерал з організованою певним чином кристалічною граткою, в основі якої - вуглець. Отримав свою назву від містечка Шуньга (в Карелії) на березі Онезького озера, де вперше був виявлений. шунгіт фулерен антрацит графіт

Шунгіт - перехідне утворення між суперантрацитом і графітом (мінерал класу самородних напівметалів, найстійкіший у земній корі кристалічний різновид вуглецю.) Належить до антраксолітів.

Шунгіт група твердих вуглецевих мінеральних речовин, що представляють в головній масі аморфні різновиди вуглецю, близькі за складом графіту.

Шунгіт являє собою органічну речовину, що концентрується в стародавніх (допалеозойских) кременисто-глинистих і карбонатних породах, згодом перетворених процесами метаморфізму в кременисті сланці і доломіт.

(До складу шунгіту входять фулерени - алотропні різновиди вуглецю унікальної структури. Але про це трохи пізніше, спочатку я розкажу вам трохи більше про шунгіти).

Вік цього таємничого мінералу - більше 2 мільярдів років. Виявлений тільки в одній точці нашої планети - в Карелії, на берегах Онезького озера - шунгіт до сих пір є загадкою для вчених.

Не розкриті до кінця його унікальні фізичні, хімічні та лікувальні властивості. Походження його до цих пір не розгадано, але є гіпотеза, що шунгіти - це залишки планети Фаетон, що колись існувала в нашій сонячній системі.

Єдине родовище поблизу поселення Шуньга - Зажогінське з запасами 35 млн. тонн.

Основні запаси шунгітів локалізовані на Заонезькому півострові і навколо північного краю Онезького озера.

Колір шунгіта в залежності від хімічного складу може бути чорний, сіруватий, попелястий, а також інших відтінків, із вкрапленнями піриту (золотистий колір), кварцу (білий колір). Справжній шунгіт можна відрізнити від підробки тим, що він легко проводить електрику.

Основні мінерали, що входять у склад шунгіта:

- углерод 30

- кварц 45

- складні силікаті (слюди, хлориди) 20

- сульфіти 3

Хімічний склад шунгіта непостійний: у середньому містить 60 - 70% вуглецю і 30-40% золи. У золі міститься: 35-50% окису кремнію, 10-25% окису алюмінію, 4-6% окису калію, 1-5% окису натрію, 1-4% окису титану, а також домішки інших елементів. Шунгіт зустрічається в суцільних масах чорного (з сильним блиском) або графітного сірого кольору з раковістим або дрібнозернистим зламом. Твердість - за Моосом - 3-4, питома вага - 1, 8-2 м / кв. см (що вказує на значну пористість. - Авт.).

Різновиди:

1) Блискучий шунгіт

С = 94 %

O, N = 1,9 %

H = 0,8 %

зольність= до 2,2 %

2) Матово-сірий шунгіт

С = 64 %

O, N = 3,5 %

H = 6,7 %

зольність = до 3,3 %

Фізичні властивості

Густина -- 2,25-2,40 г/см3; пористість -- 0,5-5 %; міцність на стиск 100--150 Мпа; модуль пружності (Е) -- 0,31*105 Мпа.; електропровідність -- (1-3) х 103 сим/м; теплопровідність -- 3,8 вт/мк. Малозольний різновид шунгіту (густина 1,84 - 1,98 * 103 кг/м3) є матеріалом чорного кольору, дуже твердим, з сильним блиском і синюватим відливом, на вигляд схожим на антрацит.

Порода має сорбційні, каталітичні та бактерицидні властивості.

Очищення води за допомогою шунгіта.

Структура шунгітової породи

Походження. Зі статті "Шунгіт" в енциклопедії:

Незважаючи на двохмільярдний вік, шунгіт має біогене походження.

Єдиним фактором, що обмежує зростання водоростей в первинному океані, була, як і сьогодні, нестача вуглекислого газу. Тому епохи вулканічної активності, коли викиди вуглекислого газу перероблялися біосферою в живу речовину, супроводжувалися і підвищеним накопиченням органічних донних опадів, які пізніше дали початок вуглистим сланцям - у тому числі й шунгіта, а також нафти і газу.

У найбільш древньої, "докембрійської", історії Землі геологами встановлено кілька періодів посиленого накопичення вуглецевих біогенних відкладень: 3,7-3,5; 2,8-2,6; 2,1-1,7; 1,0-0, 9; 0,75-0,5 млрд. років. Ці періоди збіглися з епохами активного гороутворення і вулканізму, коли в атмосферу Землі надходили великі маси вуглекислого газу, що викликав бурхливе зростання біомаси.

Походження шунгіта пов'язано з найбільшим з цих періодів накопичення вуглецевих опадів, отримав назву Біломорського, тому що гірські породи того часу найкраще збереглися в районі Карелії і Білого моря, на стародавньому гранітному щиті.

Як утворився шунгіт? Спочатку шунгіт був пухким донним осадом, дуже схожим на сапропель - багатий органікою рідкий озерний мул. До речі, сьогодні сапропель все ширше використовується як органічне добриво, як лікувальна грязь з яскраво вираженими цілющими властивостями і навіть як органо-кормова добавка..

У міру того як майбутній шунгіт, придавлений зверху сотнями метрів більш молодих осадових порід, занурювався в глибини землі, під впливом стиснення і високої температури йшов процес перетворення, "метаморфізації", майбутнього шунгіта.

Найцікавіші перетворення сталися з органічною частиною породи, яка складається з похованої біомаси. Під впливом нагрівання і тиску колишні одно-Неточні водорості утворили розпорошений в мінеральній матриці аморфний вуглець у вигляді характерних саме для шунгіта глобул (кульок), леткі вуглеводні, які, завдяки пористій структурі шунгіта, давно покинули пласт і, найголовніше, унікальну суміш нелетких органічних і елементоорганічних речовин, відому як органо комплекс шунгіта.

І якщо вуглецева частина шунгіта відповідає за його очисні, сорбційні, властивості, то його біологічна дія пов'язана саме з органомінеральним комплексом - особливо його водорозчинною частиною, що включає Фулерени - молекулярний вуглець у вигляді порожнистих куль.

У принципі, подібний процес термічного розкладання йде, наприклад, при отриманні коксу з антрациту або деревного вугілля з дров. Нагрівання без доступу повітря дає нам вуглець, смоли (дьоготь) і суміш летючої органіки - водню і окису вуглецю - на зразок коксового, світильного або генераторного газу.

Але у випадку з шунгітами є кілька принципових відмінностей, у яких, власне, і полягає таємниця його біологічної активності та обробленої ним води.

По-перше, шунгіт нагрівався не десятки хвилин, а десятки мільйонів років, завдяки чому могли пройти до кінця найповільніші хімічні реакції.

По-друге, процес йшов під великим тиском, що, за законом хімічної рівноваги, перешкоджає розпаду великих молекул на найпростіші фрагменти і сприяє утворенню більш складних молекул з великою молекулярною вагою.

По-третє, при "дозріванні" шунгіта хімічні процеси йшли за активної участі мінеральної компоненти, яка грала роль каталізатора в утворенні нових складних речовин.

По-четверте, температура, при якій йшло освіту шунгіта, не перевищувала п'ятисот, максимум - шестисот градусів, інакше мінеральна частина шунгіта просто розплавилася б, не залишивши ніяких пор і порожнеч. А порівняно низька температура і високий тиск також сприяють утворенню більш великих і складних молекул, що зберігають певну схожість з вихідними біогенними речовинами і, відповідно, володіють високою біологічною активністю.

Використання. Шунгіт використовують як фільтруючий елемент у фільтрах для води, при виготовленні лікувальних шампунів та як обробний камінь.

Шунгіт має приголомшливу здатність змінювати структуру води, надаючи їй цілющі властивості, завдяки тому що аморфний вуглець має здатність переходити з поверхні шунгіта у воду. Таким чином вода стає вуглецевмісна.

За рахунок цього плинність води збільшується і підвищується проникність води крізь мембрану клітини. Шунгіт очищує воду, видаляючи з неї шкідливі речовини, що благодійно діє на організм. Ускладнень при прийомі продуктів з шунгіта не виникає. Цей камінь має протизапальний ефект, імуномодулюючою і антиоксидантною дією.

Шунгіт успішно використовують в онкології (зменшує пухлини), зменшує дію електропобутових приладів, стільникових телефонів, знижує агресивність людей і тварин. Якщо в будинку поставити в кімнаті агресивної людини або забіяки піраміду з шунгіту, то людина повільно але впевнено поміняє свою поведінку. Також можна змінити і поведінку агресивних тварин в будинку.

Шунгіт продається як камінь, порошок, паста, піраміди, мазь.

В даний час продаються килимки для машин з шунгіту, подушки і піраміди.

У Росії та Україні пробують застосовувати шунгітову воду при лікуванні захворювань шкіри та в косметології. У Японії фулеренові складові використовуються в косметології з 2005 року.

Шунгіт має здатність очищувати воду практично від всіх органічних речовин (у тому числі від нафтопродуктів і пестицидів), від бактерій та мікроорганізмів. Фулерени в розчині води набувають властивості каталізаторів, допомагають окисленню активних хімічних сполук.

Чиста і м'яка вода на глибині Онезького озера в Карелії, яка відповідає усім суворим вимогам гігієни, яку можна пити без будь-якого очищення, - наслідок тисячолітньої взаємодії цієї води з шунгіти.

Їх цілющі властивості на сьогоднішній день прийнято приписувати шунгіти, а точніше грудочок-глобулами стародавнього вуглецю, які виходять у воду при взаємодії з шунгіти.

Шунгіт очищує воду від різних домішок хлорорганічних сполук, нітратів і нітритів, надлишку міді, марганцю, заліза, повністю - від яєць гельмінтів, прибирає з неї каламутність, присмаки, запахи. Він насичує воду солями кальцію та магнію, а також мікроелементами до оптимальної для людського організму концентрації, знезаражує воду без застосування хлорування чи ультрафіолетового опромінення. Крім того, ця порода надає воді унікальні цілющі властивості.

Вплив на організм шунгіт мають насправді фантастичне: лікує, захищає, омолоджує, знімає біль, нейтралізує шкідливий вплив геопатогенних зон.

Розгадати таємницю цілющих властивостей шунгіта ні медики, ні фізики поки не можуть. Вдалося лише встановити, що при дії шунгіта на організм в клітинах тіла відбуваються регенераційні процеси. А біоенергетики стверджують, що достатньо 5-10 днів поносити на шиї кулон з невеликим шматочком шунгіта (до речі, відполірований шунгіт дуже красивий) і біополе людини, порушене стресами і негативними емоціями, відновлюється.

Фулерени

Фулерен - сферичний або сфероїдальний молекулярний комплекс із 60 та більше атомів вуглецю. Сукупність таких комплексів може сформуватися в молекулярний кристал - фулерет із прямокутною кубічною (ПК), об'ємноцентрованою кубічною (ОЦК) або гранецентрованою кубічною (ГЦК) кристалічною граткою. За своєю будовою це пустотілі "футбольні м'ячі" з вуглецю, поверхня яких "зшита" із суміжних вуглецевих шестигранників, що утворюють суцільну сітчасту оболонку.

Фулеремни або бакиболи -- одна з кількох алотропних модифікацій Карбону.

Найвідоміший фулерен -- молекула C60, яка має ідеальну форму футбольного м'яча.

Оболонка фулерена С60 складається з 12 п'ятикутних молекул з атомів вуглецю та 20 шестикутних порожнин, подібних міжвузлям в атомарному кристалі, в яких можуть розміщуватися, наприклад, атоми гідрогену по три в кожній.

Зі збільшенням кількості атомів вуглецю у фулереновій молекулі збільшується одна з її осей, і у такому процесі фулерен може переформуватися на вуглецеву нанотрубку. Довжина нанотрубки (1-50 мкм) може на порядки перевищувати діаметр (1-2 нм), кінці можуть бути як відкритими, так і закритими, а форма - як прямою, так і вигнутою

Близько 20 років тому науковий світ облетіла сенсація: англійським вченим вдалося створити шляхом синтезу нову молекулярну форму вуглецю у вигляді порожнистих сферичних іонів - фулеренів, на які медики покладають великі надії.

Справедливості заради слід зазначити, що першими можливість такого відкриття припустили радянські вчені ще в 1973 році. Нова речовина була твердіше алмаза та мала виражені лікувальні властивості, виявляло сильну антиоксидантну активність. В експерименті фулерени навіть сповільнювали ріст ракових клітин.

А ще через 7 років - нова сенсація: природні фулерени виявлені в карельському мінералі шунгіт!

Так, у шунгіт були виявлені унікальні біологічно активні речовини. Це були Фулерени - різновиди вуглецю унікальної структури, пустотілі кулясті молекули з декількох десятків або сотень атомів вуглецю.

Установлено, що здавна відомі лікувальні властивості мінералу шунгіту, аналога якого не існує, зумовлені наявністю у кристалі саме цих фулеренів

Шунгіт - єдиний у світі природний мінерал, що містить фулерени. Цим пояснюються його властивості виліковувати багато недуг, зберігати молодість, красу, свіжість органів і систем.

За допомогою шунгіта відповідно до результатів серйозних клінічних випробувань, можна успішно лікувати близько п'ятдесяти хвороб, серед яких серцево-судинні, м'язові і особливо хвороби суглобів і опорно-рухового апарату, що дозволяє з повним правом вважати його "каменем здоров'я", або ліками ХХI століття .

Відкриті в 1985 Робертом Керлом, Гарольдом Крото й Річардом Смолі, ці молекули, що складаються тільки з атомів Карбону, отримали свою назву на честь Річарда Бакмінстера Фулера -- архітектора, що прославився побудовою ажурних куполів, автора схожого на молекулу фулерену сферичного павільйону, зібраного з плоских багатокутників, побудованого на всесвітній виставці ЕКСПО-67. Першовідкривачі отримали Нобелівську премію з хімії в 1996 році. Відкриття стало початком нового наукового напряму - фулеренового матеріалознавства - та поштовхом до масштабних досліджень властивостей нових матеріалів і можливостей їх застосування у різних галузях науки, техніки та виробництва. Щороку у світі реєструється понад 100 патентів, видається багато книг і статей у яких описано методи отримання, структури та властивостей фулеренів та їх похідних, напрями та переваги їх практичного застосування.

Вперше Фулерени були виявлені поза Землею. Після того як хіміки-теоретики розрахували спектри тоді ще гіпотетичних фулеренів, астрономи виявили заздалегідь передбачені характерні спектральні лінії фулеренів в космосі - в атмосферах вуглецевих зірок.

На Землі Фулерени були вперше отримані в полум'ї електричної дуги.

Своїми властивостями Фулерени багато в чому нагадують графіт. Багато в чому, але не в усьому. Як і графіт, Фулерени досить інертні, в масі мають чорний колір. Але, на відміну від графіту, Фулерени здатні в незмінному вигляді розчинятися у воді і органічних розчинниках, а також вбудовуватися в поверхню клітинних мембран.

Вуглецеві кулі фулеренів - інакше їх називають вуглецевими глобулами, або кластерами - можуть бути самих різних розмірів і містити від 60 до кількох сотень атомів вуглецю. У 1999 році російські вчені примудрилися отримати багатошарові Фулерени, що нагадують матрьошку: великий сфери з 560 атомів, в яку вбудовані два менших кулі з 240 і 60 атомів. Відкрито й трубчасті різновиди вуглецевих кластерів - тубуло.

Але найцікавіше в фулеренів - не форма, а зміст. Та сама порожнеча, яка залишається в середині "футбольного м'яча". Тому що в цю порожнечу можна при бажанні помістити все, що завгодно, - від газів до фрагментів генетичного коду. Чим, власне, і займаються фізики, хіміки і біологи.

Фізики використовують Фулерени для створення органічних сонячних батарей, хімічних лазерів і "молекулярних комп'ютерів", а також матеріалів з високотемпературною надпровідністю.

Хіміки використовують Фулерени в якості нового типу каталізаторів і адсорбентів, обіцяють дуже райдужні перспективи.

А біологи і фармакологи використовують кулі фулерену для доставки всередину клітини і розміщення на поверхні клітинних мембран самих різних речовин, включаючи антибіотики, вітаміни і гормони, у тому числі фрагменти генокод при створенні трансгенних тварин і рослин. Одним словом, "фаршировані" Фулерени, включивши у свою внутрішню порожнину інші молекули, набувають зовсім нові властивості!

Елементний склад шунгіта або його розчинної частини визначається: випарювання розчину, зважуємо осад, спалюємо його в певному обсязі кисню, після чого аналізуємо золу.

Кристали фулерену

Природні фулерени можна знайти в сажі. Кристалічна форма фулеренів називається фулеритом.

Термін "Фулерен" застосовують до широкого класу сполук із мінімально можливою будовою у 60 атомів вуглецю, що поєднані ковалентним зв'язком у сферичну молекулу, де кожен атом вуглецю поєднаний із трьома іншими, утворюючи п'ятикутники та шестикутники на поверхнях. Найбільша молекула фулерену складається із 560 атомів вуглецю. Найбільш вивченою молекулою фулерену є молекула С60. С60 найменший фулерен, що відповідає правилу ізольованого пентагону і тому він є найменшим стійким фулереном.

Якийсь час фулерен був доступний лише в кількостях, достатніх для спектральних досліджень, але не хімічних. Одержати фулерен у помітних кількостях вдалося Д.Хаффману і В.Кретчмеру, що провели випарювання графіту за допомогою електричної дуги в атмосфері гелію. Сажа, що утворюється в цьому процесі, була проекстрагована бензолом. З розчину виділили сполуки, що мають суміш С60 і С70. Друга сполука утворюється в кількостях, приблизно в шість разів менших, ніж перша, і тому основна маса досліджень проводиться з С60. Описаний спосіб одержання фулерену з тими чи іншими технологічними варіаціями на сьогодні все ще єдиний. Вміст фулеренів у сажі, яка утворюється, досягає 44 %.

Від інших алотропних модифікацій вуглецю фулерен відрізняється насамперед тим, що це індивідуальні кінцеві молекули, що мають замкнуту форму. Фулерен на відміну від відомих раніше трьох форм вуглецю розчинний в органічних розчинниках (бензол, гексан, сірковуглець). З розчинів фулерен кристалізується у виді дрібних темно-коричневих кристалів. Для рентгеноструктурного аналізу вони не придатні, тому що через сферичну форму молекул їхня структура невпорядкована. Побачити молекулу фулерена «своїми очима» вдалося далеко не відразу, лише після того, як був отриманий продукт взаємодії фулерена з тетроксидом осмію OsO4 у присутності третбутилпіридину, який добре кристалізується.

Ще одна незвичайна структурна особливість фулерену полягає в тому, що його молекула має внутрішню порожнину, діаметр якої приблизно 0,5 нм. Зовнішній діаметр самої молекули 0,71 нм.

Фулерен -- винятково стійка сполука. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем повітря, стійкий до дії кислот і лугів, не плавиться до температури 360 °С. Хімічні властивості знаходяться в повній згоді зі згаданими вище структурними особливостями -- фулерен не вступає в реакції, характерні для ароматичних сполук. Неможливі реакції заміщення, тому що в атомів вуглецю немає ніяких бічних замісників.

Фулерен є яскраво вираженим акцептором електронів і при дії сильних відновників (лужні метали) може приймати до шести електронів, утворюючи аніон С606-. Крім того, він легко приєднує нуклеофіли і вільні радикали. При відновленні лужними металами (наприклад, цезієм чи рубідієм) відбувається перенесення електрона від атома металу до фулерену. Сполуки, що утворюються, мають низькотемпературну надпровідність, критична температура появи надпровідності 33К.

Багатошарові фулерени. У 1999 році японсько-російському колективу з Міжнародного центра досліджень матеріалів (Японія) вдалося знайти багатошарові фулерени. Вони були отримані із сажі, шляхом лазерного піролізу бензену. Сажу протягом години випалювали за температури 3000°С у атмосфері аргону. Після прожарювання у вакуумі за температури 1600°С була отримана плівка осаду, яка складалася з молекул фулерену діаметром 8,1 Е та 11,9 Е, що відповідає С80 та С180. Як видно з фотографії, отриманої за допомогою електронного мікроскопа, є молекули, що складаються з кількох шарів. На фото можна побачити два їх різновиди: подвійну сферу діаметром 14 Е та потрійну кулю діаметром 20 Е. Це, на думку авторів досліду, перше спостереження вкладених один в одного фулеренів, т. зв. оніонів (англ. onion). Хоча останнє твердження і суперечливе, оскільки ще в 1980 році Ііджіма спостерігав за допомогою електронної мікроскопії високого розрішення оніоні утворення.[7] Якщо розрахувати діаметри молекул, то виходить, що в першому випадку це С60 всередині С240, а в другому -- С80 та С240, вкладені, як матрьошки, в С560. Такі багатошарові фулерени -- новий вид вуглецевих кластерів.

Вплив на живі організми. Незважаючи на те, що фулерен був відкритий більше 25 років тому, його вплив на живі організми досі залишається невідомим. Хоча теоретично показано, що фулерени не є токсичними, їхня безпечність для людей все ще широко обговорюється. Однак, у квітні 2012 року група французьких вчених[9] опублікувала статтю з результатами досліджень на щурах. У статті вказується, що щурі, яким щодня давали певну дозу фулерену С60 з оливковою олією, прожили вдвічі довше, ніж щурі, які фулерену не вживали. Вважається, що такий ефект спостерігається через те, що фулерени поглинають вільні радикали, які сприяють старінню. Однак ще невідомо чи будуть вони мати такий же ефект у людей.

За допомогою телескопу НАСА Шпітцер науковці виявили в космічному просторі речовину з фулеренів, або атомів Карбону, у твердому стані - раніше вони зустрічались тільки в газах.

В космосі ці молекули фулеренів зустрічаються у великій кількості. Біля пари зірок «XX Змієносця» фулеренів настільки багато, що, зібрані у матерію, вони могли б утворити гору в 10 тисяч разів більшу за Еверест. Відкриття показує, що ці молекули присутні в космічному просторі у набагато більшій кількості, ніж очікували вчені.

На Землі фулерени містяться в газі від палаючих свічок, в мінералі шунгіт, розповсюдженому в Карелії, а також в фульгуриті, який формується від удару блискавки.

Размещено на Allbest.ru