2011 г. О. В. Мосин, кандидат на селскостопанските науки

 

Таблица 1. Химичен състав на шунгит, добит от Зажигинското находище (Карелия) (маса. %):

Шунгитите се различават по състава на минералната основа (алуминосиликатна, карбонатна, силикатна) и количеството на въглерода в шунгита. Шунгитовите скали със силикатна минерална основа се разделят на нисковъглеродни шунгити (до 5% С), средновъглеродни шунгити (5 - 25% С) и високовъглеродни шунгити (25 - 80% С).

Способността на шунгита да прочиства водата е известна отдавна. Филтри за изчистване на вода на основата на шунгита се разработват от 1995 година. Доказано е , че вода, прекарана през шунгитов филтър, притежава общо оздравително въздействие на организма, намалява кожни раздразнения, сърбежи, обриви, ефективна е при вегето-съдова дистония, при заболявания на стомашно-чревния тракт, камъни в бъбреците.

Механизмът на взаимодействие на шунгита с водата не е изучен окончателно. Предоплага се, че шунгитът е способен да поглъща кислород, активно да взаимодейства с него като силен редуктор както във водата,така и във въздуха. При това се образува атомен кислород, който се явява силен окислител и който окислява адсорбираните от шунгита органични вещества до въглероден диоксид и вода, като освобождавапочърхността на шунгита за нови актове на адсорбция. Продължителното въздействие на шунгита към разтворените във вода метали се обяснява с това, че металите се превръщат от шунгита в неразтворими карбонати. Това улеснява процеса на окисление на органичните вещества до CO₂.

Уникалните свойства на ШУНГИТА се обясняват с неговата структура. Шунгитовия въглерод образува в скалата матрица, в която са равномерно разпределени фини силикати със среден размер от около 1 микрон. (Рис. 1)

 

Рис. 1. Структура на шунгитовата скала

Основата на въглерода в шунгита представлява многослослокна филереноподобна сфера, с диаметър 10-30 нанометра (Рис. 2). Фулерени – особена форма на въглерода, които са били открити в научните лаборатории при опит да се пресъздадат процесите, протичащи в космоса, а по-късно са открити в земната кора.



Рис. 2. Нанодифракционна микрофотография на шунгитовия въглерод (сонда 0,3 - 0,7 нм.)

До неотдавна са били известни две различаващи се по своя строеж форми на въглерода във вид на диамант и графит. В структурата на диаманта всеки атом въглерод е разположен в центъра на тетраедър, за върхове на който служат четирите съседни атома въглерод (рис. 3, а). Тази структура определя диаманта като най-твърдото вещество в природата.

Обратното на диаманта, в кристалната структура на графита атомите на въглерода формират шестъгълни пръстени, оразуващи плоска решетка (рис. 3, б). Решетките са разположени една над друга в слоеве, свързани помежду си със слаби Ван-дер-Валсови сили. Това определя специфичните свойства на материалите от графит: ниска твърдост и способност лесно да се разделя на малки люспи.



Рис. 3. Структура на диаманта (а) и графита (б)

Първите фулеренови мулекули, състоящи се от полиедричени С₆₀ и С₇₀ атоми въглерод били открити през 1985 г. при лазерно облъчване на твърд графит. По-късно фулерено-подобни структури били открити не само в графита, но и в образувани в дъгов разряд по графитни електрони сажди, а също така и в природния минерал шунгит (0,001%). Кристал, образуван от фулеренови молекули (фуллерит) се явява мулекулен кристал; преходна форма между органични и неорганични вещества. Плътността на фулерита е 1,7 г/см³, което е значително по-малка от плътността на графита (2,3 г/см ³), шунгита (2,1 -2,4 г/см³) и диаманта (3,5 г/см ).

Характерна особеност в структурата на фуллерените е, че атомите на въглерода са разположени по върховете на шест- и петоъгълници, покриващи повърхността на формираните графитни сфери или елипсоиди и съставят затворени многостени, състоящи се от четно число тройно координирани атоми въглерод (рис. 4). Атомите на въглерода, образуващи сфера, са свързани помежду си с ковалентна връзка. Дължината на връзката С—С в петоъгълника е 0,143 нм, а в шестоъгълника – 0,139 нм. Дебелината на сферичната черупка е 0,1 нм, радиуса на молекулата С₆₀ - 0,357 нм. Във въглеродния скелет атомите на въглерода се характеризират с sp² –хибридизация; всеки атом въглерод е свързан с три С атома и допълнителна p- връзка с един от съседните му. Предполага се , че в структурата на фулерена p-връзките могат да бъдат делокализирани, както в ароматните съединения. Но, за разлика от бензола, където дължината на C-C връзките е еднаква, във фулерените може да се наблюдават връзки от «двоен» и повоче от «единичен» характер, и химиците често разглеждат фулерените като електронодефицитни полиенови системи, а не като ароматни молекули. Молекулите на фулерена може да съдържат 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.н. въглеродни атоми (рис. 5 ). Фулерени с брой въглеродни атоми n<60 са неустойчиви. Висши фулерени, съдържащи по-голям брой въглеродни атоми (до 400), се образуват в значително по-малки количества и често имат доста сложен изомерен състав. 

Една от най-важните особености на фулерените се състои в наличието на голям брой еквивалентни реакционни центрове в тях, което води до това, че продуктите от реакциите с тяхно участие, имат сложен изомерен състав . В следствие от това, повечето химични реакции с фулерени не са селективни, което съществено затруднява синтеза на съединения на тяхна основа.

Благодарение на решетъчно-кълбовидния строеж на фулерените, те се оказали идеални пълнители и идеална смазка. Като се поставят в техните въглеродни кластери различни атоми и молекули, могат да се създават различни материали на бъдещето с широк спектър зададени физико-химични свойства. Понастоящем на основата на фулерените са синтезирани повече от 3 000 нови съединения. Перспективите за развитие на синтеза на фулерен са свързани със структурните характеристики на фулереновите молекули и големия брой на спрегнати двойни връзки в затворената въглеродна сфера. Комбинирането на фулерена с представители на множество известни групи материали отваря за химиците възможност за синтез на многобройни производни на тези съединения, които могат да бъдат използвани в различни отрасли и технологии. Фулерените могат да бъдат използвани и в нанотехнологиите, електрониката, медицината, в производството на технически продукции, стомани, сплави, бои, фини прахове, пречистване на водата и др. Сега се обсъжда идеята за фулерен базирани лекарства, чието въвеждане в тъканите позволява селективно влияние върху засегнатата рак клетки, предотвратяване на тяхното по-нататъшно размножаване. Такова противораково средство може да бъде получено от водоразтворими съединения на фулерени с вградени вътре радиоизотопи. Въпреки това, значителни пречки за използването на изкуствено синтезирани фулерени е тяхната висока цена. Средната стойност на фулерените варира от 100 до 900 долара за грам, в зависимост от качеството и чистотата им. Ето защо, перспективна посока на науката и технологиите е търсенето на нови природни фулерен съдържаща минерали, какъвто е минаралът шунгит.

Наличието на фулеренови молекули в шунгита открива широки перспективи за неговото по-нататъшно използване. Обаче, количеството на фулерени в шунгита е много малко (0,001%). Шунгитът, благодарение на своята структура притежава висока активност в окислително-редакционните процеси, широк спектър сорбционни и каталитични свойства. Това позволява ефективното използване на този минерал е окислително-редукционни процеси: в това число в металургията при леенето на високо хромен чугун в доменни пещи (1 тон шунгит заменя 1,3 тона кокс); в производство на железни сплави; при производство на фософор; в производството на карбид и силициев нитрид; като пълнител на термоустойчива боя и др.

Електропроводните свойства на шунгита и способността му да намалява нивото на електромагнитните излъчвания с честота 10 кХц – 30 Гхц и електичеки полета с честота 50 Хц позволяват създаването на нови електропроводими материали, притежаващи радиоекраниращи и радиопоглъщащи свойства; електропроводни бои, бетони, асфалти, довършителни материали, мазилки и др. На основата на тези материали от шунгит са разрабтени нагреватели, създадени са материали, които екранират електромагнитни излъчвания, получена е възможност за създаване на нови строителни материали и др.

При шлифоване на шунгит се получават фини прахове , които много добре се смесват с органични и неорганични вещества. Това свойство на шунгитовия прах позволява той да бъде използван като черен пигмент в бои на различна основа (маслени и водни), като пълнител в полимерни материали (полиетилен, полипропилен), заместител на техническия въглеводород в състава на каучука.

Благодарение на тези свойства шунгитът може да бъде използван в приготвянето на питейни води, в проточните системи на всякакъв вид производства, а също така в кладенци. Особено ефективно и технологично обосновано е използването на филтриращи системи от смеси на шунгит с активен въглен или зеолит.