Studio della forma di riga del K3C60 - Dipartimento di Fisica e ...

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Capitolo 1 Fullerene e Fulleriti 1.1 Introduzione In questo primo capitolo saranno trattati tutti gli aspetti generali del Fullerene C60 e di una classe particolare di composti del Fullerene cioè le fulleriti anioniche. Saranno illustrate le proprietà fisiche e chimiche delle fulleriti anioniche ed i modelli teorici che servono a descrivere questi comportamenti. Questo resoconto fornirà gli strumenti necessari per entrare nell’argomento di questa tesi: le fulleriti cationiche. 1.2 Il Fullerene Il C60 [25] è il più rappresentativo della famiglia dei fullereni, sono infatti noti altri composti dello stesso tipo con numero maggiore di atomi di carbonio. La molecola ha la forma di un icosaedro troncato e soddisfa le operazioni di simmetria del gruppo puntuale Icosaedrico (I h). I 60 atomi di carbonio che la compongono si legano in 12 frammenti di forma pentagonale e 20 di forma esagonale originando una superficie sferica di raggio ∼ 3.56 ˚A. In realtà le funzioni d’onda degli orbitali atomici si estendono dentro e fuori dalla molecola per circa 1.5 ˚A, pertanto il diametro reale di una molecola di C60 risulta essere di ∼ 10 ˚A. Inoltre la densità elettronica π non è uniformemente delocalizzata sulla molecola e sono presenti 2 distanze di legame differenti: la più lunga d ∼ 1.46 ˚A è relativa al legame condiviso tra 2 facce esagonali, la più corta d ∼ 1.40 ˚A è relativa al legame condiviso tra una faccia esagonale ed una pentagonale (figura 1). La tecnica di sintesi del C60 è da tempo nota e consolidata e consiste nella vaporizzazione di un elettrodo di grafite mediante scarica ad arco in atmosfera inerte (metodo di Krätsch- mer e Huffman) Nella polvere che si ottiene sono presenti diversi componenti della famiglia dei fullereni, ma i principali prodotti sono il C60 ed il C70 che vengono separati mediante cromatografia. Allo stato solido le molecole di C60 si dispongono secondo un reticolo cubico 1
2 1. Fullerene e Fulleriti Figura 1: Schema della molecola di C60 e struttura fcc del C60 . a facce centrate (fcc) con gruppo spaziale Fm-3m, a = 14.17 ˚A e la distanza tra molecole è di 10.02 ˚A. A temperatura ambiente il C60 è un cristallo plastico, cioè le sue molecole mantengono dei gradi di libertà rotazionali attivi. La rotazione delle molecole cessa sotto i 260 K e la struttura diventa cubica semplice (gruppo spaziale Pa-3) perchè l’incompatibilità tra simmetria puntuale della molecola (I h) e simmetria cubica impedisce la la descrizione della struttura con un reticolo fcc. Sotto i 260 K, in realtà, le molecole sono ancora in mo- vimento ed in particolare ruotano attorno ad assi privilegiati [111], sotto i 90 K le molecole si fermano completamente. Pur essendo il C60 una molecola insatura e π coniugata non è possibile descrivere la sua situazione orbitalica in termini di ibridazione convenzionale come per qualsiasi alchene, ma è necessario considerare che la curvatura impedisce una perfetta sovrapposizione degli orbitali pz (questo influenza la reattività della molecola) introducendo una parziale re-ibridizzazione che conferisce agli orbitali pz un piccolo carattere s (circa il 9%). Figura 2: Schema dei livelli atomici del C60.
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