Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

О возможности применения эмпирических методов расчета стандартных энтальпий образования органических веществ для фуллеренов

А.Р. Эль Занин1, С.В. Борознин1, И.В. Запороцкова1, Н.П. Борознина1, Л.В. Кожитов2, А.В. Попкова3

1 ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
2 ФГАОУ ВО«Национальный исследовательский технологический университет МИСиС»
3 НИИ Научно-производственное объединение «Луч»

DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.317

Оригинальная статья

Аннотация: В связи с высокой практической ценностью и, как следствие, активным изучением углеродных наноматериалов, актуальным является вопрос о методах исследования их физико-химических, в частности, термодинамических свойств. В настоящей работе рассматривается возможность применения нескольких подходов для оценки стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе. Были рассчитаны стандартные энтальпии образования в газовой фазе фуллеренов C60 и C70 методами Лайдлера, Франклина, Соудерса – Мэтьюза – Харда, Джобака – Рида. Был получен ряд аналитических зависимостей стандартной энтальпии образования в газовой фазе от числа атомов углерода в молекулах фуллеренов. Проведено сравнение полученных значений с экспериментальными данными, определена относительная погрешность расчета. Сделан вывод об ограниченной применимости предлагаемых методов для определения стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе. Полученные значения стандартной энтальпии образования наиболее удовлетворительным методом из рассмотренных для фуллеренов C60 и C70 составляют 2448,90 и 2857,05 кДж/моль, а относительные погрешности составляют 4,44% и 5,95% соответственно. Таковым является метод Соудерса – Мэтьюза – Харда. Представленные аналитические зависимости позволяют проводить экспрессную оценку стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе при малом количестве входных данных.

Ключевые слова: аддитивные расчетные схемы, углеродные наноматериалы, термодинамические свойства

  • Эль Занин Антон Раджабович – студент 4 курса, лаборант кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения, ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
  • Борознин Сергей Владимирович – д.ф.-м.н., доцент, заведующий кафедрой судебной экспертизы и физического материаловедения, ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
  • Запороцкова Ирина Владимировна – д.ф.-м.н., профессор, директор института приоритетных технологий, ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
  • Борознина Наталья Павловна – д.ф.-м.н., профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения, ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
  • Кожитов Лев Васильевич – д.т.н., профессор кафедры технологии материалов электроники, ФГАОУ ВО«Национальный исследовательский технологический университет МИСиС»
  • Попкова Алена Васильевна – сотрудник, НИИ Научно-производственное объединение «Луч»

Ссылка на статью:

Эль Занин, А.Р. О возможности применения эмпирических методов расчета стандартных энтальпий образования органических веществ для фуллеренов / А.Р. Эль Занин, С.В. Борознин, И.В. Запороцкова, Н.П. Борознина, Л.В. Кожитов, А.В. Попкова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 317-327. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.317.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Kroto, H.W. C60: Buckminsterfullerene / H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O`Brien et al. // Nature. – 1985. – V. 318. – P. 162-163. DOI: 10.1038/318162a0.
2. Neuman, M.U. Nanomaterials for hydrogen storage applications: a review / M.U. Neuman, S.S. Srinivasan, A.R. Phani et al. // Journal of Nanomaterials. – 2008. – V. 2008. – Art. ID. 950967. – 9 p. DOI: 10.1155/2008/950967.
3. Oku, T. Hydrogen storage in boron nitride and carbon nanomaterials / T. Oku // Energies. – 2014. – V. 8. – I. 1. – P. 319-337. DOI: 10.3390/en8010319.
4. Wang, Q. Theoretical study of hydrogen storage in Ca-coated fullerenes / Q. Wang, Q. Sun, P. Jena et al. // Journal of Chemical Theory and Computation. – 2009. – V. 5. – I 2. – P. 374-379. DOI: 10.1021/ct800373g.
5. Anilkumar, P. Fullerenes for applications in biology and medicine // Current Medicinal Chemistry / P. Anilkumar, F. Lu, L. Cao et al. // Current Medicinal Chemistry. – 2011. – V. 18. – I. 14. –P. 2045-2059. DOI: 10.2174/092986711795656225.
6. Kumar, M. C60-fullerenes as drug delivery carriers for anticancer agents: promises and hurdles / M. Kumar, K. Raza // Pharmaceutical Nanotechnology. – 2017. – V. 5. – I. 3. – P. 169-179. DOI: 10.2174/2211738505666170301142232.
7. Kazemzadeh, H. Fullerene-based delivery systems / H. Kazemzadeh, M. Mozafari // Drug Discovery Today. – 2019. – V. 24. – I. 3. – P. 898-905. DOI: 10.1016/j.drudis.2019.01.013.
8. Kian, M. Adsorption behavior of aromasin onto C20 and C24 nano-cages: density functional theory study / M. Kian, E. Tazikeh-Lemeski // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2020. – V. 65. – I. 12. – P. 1848-1853. DOI: 10.1134/S0036023620120074.
9. Baran, L.V. Annealing effect on the structure, phase composition, and nanohardness of titanium/fullerite films / L.V. Baran // Inorganic Materials. – 2010. – V. 46. – I. 8. – P. 824-832. DOI: 10.1134/S0020168510080042.
10. Baran, L.V. Effect of metal content on the structure and phase composition of Fullerite-Sn films / L.V. Baran // Inorganic Materials. – 2013. – V. 49. – I. 3. – P. 257-265. DOI: 10.1134/S0020168513020015.
11. Baenitz, M. Superconductivity of Rb2CsC60: ac response and upper critical field / M. Baenitz, M. Heinze, K. Lüders et al. // Solid State Communications. – 1994. – V. 91. – I. 5. – P. 337-340. DOI: 10.1016/0038-1098(94)90629-7.
12. Wang, P. Superconductivity in Langmuir-Blodgett multilayers of fullerene (C60) doped with potassium / Wang P., Metzger R.M., Bandow S. et al. // Journal of Physical Chemistry. – 1993. – V. 97. – I. 12. – P. 2926-2927. DOI: 10.1021/j100114a016.
13. Rosseinsky, M.J. Superconductivity at 28 K in RbxC60 / M.J. Rosseinsky, A.P. Ramirez, S.H. Glarum et al. // Physical Review Letters. – 1991. – V. 66. – I. 21. – P. 2830. DOI: 10.1103/PhysRevLett.66.2830.
14. Sidorov, N.S. Intercalation of C60 fullerene crystals with calcium and barium via self-propagating hightemperature synthesis / N.S. Sidorov, A.V. Palnichenko, O.G. Rybchenko et al. // Inorganic Materials. – 2010. – V. 46. – I. 5. – P. 476-479. DOI: 10.1134/S0020168510050079.
15. Kalinkin, A.N. Calculation of the free energy of fullerenes in the Gross–Neveu model / A.N. Kalinkin, V.M. Skorikov // Inorganic Materials. – 2002. – V. 38. – I. 3. – P. 212-215. DOI: 10.1023/A:1014706429759.
16. Yudina, N.V. Calculation of fullerene parameters by the implemented one-dimensional method for determination of eigenvalues and eigenfunctions in one-dimensional clusters of planar, cylindrical, and spherical geometry / N.V. Yudina, N.R. Sadykov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2019. – V. 64. – I. 1. – P. 98-107. DOI: 10.1134/S0036023619010212.
17. Stolyarova, V.L. The potential of the Wilson method in the calculation of the thermodynamic properties of oxide systems at high temperatures / V.L. Stolyarova, V.A. Vorozhtcov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2021. – V. 66. – I. 9. – P. 1396-1404. DOI: 10.1134/S0036023621090163.
18. Перевощиков, А.В. Уравнение состояния периклаза на основе функций Планка–Эйнштейна / А.В. Перевощиков, А.И. Максимов, И.И. Бабаян и др. // Журнал неорганической химии. – 2023. – Т. 68. – № 2. – С. 191-202. DOI: 10.31857/S0044457X22601407.
19. Volokhov, V.M. Predictive modeling of molecules of high-energy heterocyclic compounds / V.M. Volokhov, T.S. Zyubina, A.V. Volokhov et al. //Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2021. – V. 66. – I. 1. – P. 78-88. DOI: 10.1134/S0036023621010113
20. Тупицын, А.А. Оценка стандартной энтальпии образования кристаллических боратов щелочных металлов / А.А. Тупицын, В.А. Бычинский, М.В. Штенберг и др. // Журнал неорганической химии. – 2023. – Т. 68. – № 3. – С. 325-332. DOI: 10.31857/S0044457X22601808.
21. Malyshkina, M.V. Modern software for computer modeling in quantum chemistry and molecular dynamics / M.V. Malyshkina, A.S. Novikov // Compounds. – 2021. – V. 1. – I. 3. – P. 134-144. DOI: 10.3390/compounds1030012.
22. Chan, B. From C60 to infinity: large-scale quantum chemistry calculations of the heats of formation of higher fullerenes / B. Chan, Y. Kawashima, M. Katouda et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2016. – V. 138. – I. 4. – P. 1420-1429. DOI: 10.1021/jacs.5b12518.
23. Chan, B. Fullerene thermochemical stability: accurate heats of formation for small fullerenes, the importance of structural deformation on reactivity, and the special stability of C60 / B. Chan // Journal of Physical Chemistry A. – 2020. – V. 124. – I. 33. – P. 6688-6698. DOI: 10.1021/acs.jpca.0c04732.
24. Cioslowski, J. Standard enthalpies of formation of fullerenes and their dependence on structural motifs / J. Cioslowski, N. Rao, D. Moncrieff // Journal of the American Chemical Society. – 2000. – V. 122. – I. 34. – P. 8265-8270. DOI: 10.1021/ja001109+.
25. Kolesov, V.P. Enthalpies of combustion and formation of fullerene C60 / V.P. Kolesov, S.M. Pimenova, V.K. Pavlovich et al. // The Journal of Chemical Thermodynamics. – 1996. – V. 28. – I. 10. – P. 1121-1125. DOI: 10.1006/jcht.1996.0098
26. Diogo, H.P. Enthalpies of formation of buckminsterfullerene (C60) and of the parent ions C60+, C602+, C603+ and C60– / H.P. Diogo, M.E.M. da Piedade, T.J.S. Dennis et al. // Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. – 1993. – V. 89. – I. 19. – P. 3541-3544. DOI: 10.1039/FT9938903541.
27. Beckhaus, H.D. The stability of buckminsterfullerene (C60): experimental determination of the heat of formation / H.D. Beckhaus, C. Rüchardt, M. Kao et al. // Angewandte Chemie, International Edition. – 1992. – V. 31. – I. 1. – P. 63-64. DOI: 10.1002/anie.199200631.
28. Beckhaus, H.D. C70 is more stable than C60: experimental determination of the heat of formation of C70 / H.D. Beckhaus, S. Verevkin, C. Rüchardt et al. // Angewandte Chemie, International Edition. – 1994. – V. 33. – I. 9. – P. 996-998. DOI: 10.1002/anie.199409961.
29. Kiyobayashi, T. Combustion calorimetric studies on C60 and C70 / T. Kiyobayashi, M. Sakiyama // Fullerene Science and Technology. – 1993. – V. 1. – I. 3. – P. 269-273. DOI: 10.1080/15363839308011895.
30. Steele, W.V. Standard enthalpy of formation of buckminsterfullerene / W.V. Steele, R.D. Chirico, N.K. Smith et al. // Journal of Physical Chemistry. – 1992. – V. 96. – I. 12. – P. 4731-4733. DOI: 10.1021/j100191a003.
31. Taylor, R. Rationalisation of the most stable isomer of a fullerene Cn / R. Taylor // Journal of the Chemical Sociesty, Perkin Transactions 2. – 1992. – I. 1. – P. 3-4. DOI: 10.1039/P29920000003.
32. Bühl, M. Spherical aromaticity of fullerenes / M. Bühl, A. Hirsch // Chemical Reviews. – 2001. – V. 101. – I. 5. – P. 1153-1184. DOI: 10.1021/cr990332q.
33. Amend, J.P. Group additivity equations of state for calculating the standard molal thermodynamic properties of aqueous organic species at elevated temperatures and pressures / J.P. Amend, H.C. Helgeson // Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1997. – V. 61. – I. 1. – P. 11-46. DOI: 10.1016/S0016-7037(96)00306-7.
34. Ивашкина, Е.Н. Термодинамический анализ реакций получения низших олефинов в технологии FCC на основе учета функциональных групп в молекулах углеводородов и квантовой химии / Е.Н. Ивашкина, С.К. Форутан // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 11. – С. 101-114. DOI: 10.18799/24131830/2022/11/3774.
35. Павлинов, Л.И. Расчеты термодинамических свойств полимеров / Л.И. Павлинов, Г.Н. Марченко, Ю.А. Лебедев // Успехи химии. – 1984. – Т. 53. – № 7. – С. 1172-1196. DOI: 10.1070/RC1984v053n07ABEH003089.
36. Joback, K.G. Estimation of pure-component properties from group-contributions / K.G. Joback, R.C. Reid // Chemical Engineering Communications. – 1987. – V. 57. – I. 1-6. P. 233-243. DOI: 10.1080/00986448708960487.
37. Kovalenko, V.I. Regularities in the molecular structures of stable fullerenes / V.I. Kovalenko, A.R. Khamatgalimov // Russian Chemical Reviews. – 2006. – V. 75. – I. 11. – P. 981-988. DOI: 10.1070/RC2006v075n11ABEH003620
38. NIST Chemistry WebBook: NIST Standard Reference Database Number 69 / ed. by P.J. Linstrom, W.G. Mallard. – Gaithersburg MD: National Institute of Standards and Technology, 2023. – Режим доступа: https://webbook.nist.gov/chemistry. – 23.01.2023.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒