# Buckminsterfullereen

Buckminsterfullereen is een allotroop van koolstof. Het is een molecuul van 60 (of 70) koolstofatomen, die in de vorm van een afgeknotte icosaëder zijn gerangschikt, gelijkend op een voetbal. Telt de molecule 70 atomen dan neemt ze de vorm van een rugbybal aan. De molecule is na grafiet, diamant en amorfe koolstof de vierde vorm van koolstof en tevens de bekendste van de fullerenen. Buckminsterfullereen is een van de meest symmetrische moleculen en behoort tot puntgroep I$_h$. Men noemt het informeel een buckybal of buckyball.

## Etymologie

Fullerenen in het algemeen en buckminsterfullereen in het bijzonder zijn naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller genoemd, omdat de moleculaire vorm van deze stoffen doet denken aan de structuur van zijn geodetische koepels.

## Ontdekking en betekenis

De Vlaamse astrofysicus Jan Cami werd in een artikel in Science van 22 juli 2010 erkend als de voornaamste ontdekker van de grote koolstofmoleculen, ook buckyballs of buckminsterfullereen, in het heelal. Het zijn de grootste moleculen die ooit in de ruimte werden aangetroffen, maar het molecuul werd in laboratoria al in de jaren 80 gemaakt. De ontdekking vond plaats toen de NASA met de Spitzer Space Telescope de gasresten van een planetaire nevel onderzocht op zo'n 6500 lichtjaar afstand van de Aarde. De ontdekking werd onder meer door Nobelprijswinnaar Harry Kroto als uiterst belangwekkend aangeduid, omdat ze bijdraagt aan de kennis van het ontstaan van het leven op Aarde. De ontdekking toont aan dat door de inslag van meteorieten deze oerkoolstofmolecule op Aarde is terechtgekomen, waarna er koolstof ontstond en het eerste primitieve leven zich kon ontwikkelen.

## Synthese

Buckminsterfullereen kan worden gemaakt door een krachtige elektrische stroom door twee dicht bij elkaar geplaatste elektrodes van grafiet te laten lopen onder een inerte atmosfeer. Het grafiet verdampt daardoor en slaat gedeeltelijk neer als buckminsterfullereen.
Buckminsterfullereen kan ook met eenvoudige basischemicaliën worden gemaakt door middel van een klassieke organische synthese, maar de opbrengst is in dat geval zeer laag, minder dan 1%. Het kan gezuiverd worden door een kolomchromatografie met tolueen als eluens.

## Chemische eigenschappen
### Insluitverbindingen

Door hun bolvorm is het mogelijk om in een fullereenmolecuul een ander klein molecuul of een atoom in te sluiten, bijvoorbeeld een heliumatoom. De notatie voor de bijzondere insluitverbinding die dan ontstaat is He@C$_{60}$.

### Fulleriden

Een andere klasse afgeleid van buckminsterfullereen, en fullerenen in het algemeen, zijn de fulleriden. Dit zijn (vaste) verbindingen met bijvoorbeeld kalium (of andere alkalimetalen) waarin het fullereen als oxidator optreedt. Zowel K$_3$C$_{60}$ als K$_6$C$_{60}$ zijn bekend. De eerste stof is paramagnetisch, de tweede diamagnetisch zoals C$_{60}$ zelf en dit hangt ten nauwste samen met de elektronenstructuur van C$_{60}$.

### Elektronische structuur

Het is mogelijk de elektronische structuur te benaderen vanuit een perspectief van de Lewistheorie en ieder atoom te verbinden met zijn drie buren via een enkele binding. Het vierde elektronenpaar, één elektron per koolstofatoom, dat nog overblijft is echter wat problematisch. Net als bij benzeen kunnen we beginnen een dubbele binding naar een van de buren te tekenen, maar dit kan op verschillende manieren. In plaats van twee alternatieve 'resonantie'structuren zijn er bij C$_{60}$ zo'n 12.400 mogelijkheden.
Het is in analogie met benzeen beter het probleem aan te pakken met moleculaire orbitalen. Het volstaat in eerste instantie de discussie te beperken tot het overblijvende elektron dat in een p-orbitaal loodrecht op het oppervlak van een bol gedacht kan worden. Het vinden van de golfpatronen op het oppervlak van een bol is wiskundig gesproken nauw verwant aan het vinden van de orbitalen van een bolvormig waterstofatoom. Het is zelfs eenvoudiger. Het enige verschil is namelijk dat het probleem tweedimensionaal is en niet driedimensionaal. Dit heeft tot gevolg dat er in plaats van drie kwantumgetallen n, l en m$_l$ slechts twee zijn: L en m$_L$. Bij het 3D-probleem resulteert de opeenvolging van 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d ... enz orbitalen. In het 2D-geval vervalt het n-getal en zijn er slechts s, p, d, f, g, h, i, enz. Net als bij de orbitalen van het 3D-atoom hebben zij een ontaardingsgraad van 1, 3, 5, 7, 9, 11 enz., en kunnen zij wegens de spin van het elektron 2, 6, 10, 14, 18 en 22 elektronen onderdak bieden. Doordat het ontbreken van het kwantumgetal n het aantal orbitalen vrij drastisch beperkt, raken - anders dan bij het periodiek systeem - ook g- en h-orbitalen gevuld.
Wanneer we de gevonden orbitalen vullen met de resterende 60 elektronen, blijkt dat 50 ervan in de s+p+d+f+g passen en er dan 10 elektronen overblijven die in de h-orbitalen gehuisvest moeten worden, waar plaats is voor 2*11=22 elektronen. Volgens de regel van Hund zou dat resulteren in een paramagnetische molecule die als vaste stof hoogstwaarschijnlijk een goede geleider zou zijn. Dit is echter niet geval, C$_{60}$ heeft namelijk diamagnetische en halfgeleidende eigenschappen, met name bij lage temperaturen. De aanname dat de molecule bolvormig is, is echter niet geheel juist: in werkelijkheid is de symmetrie namelijk (een beetje) lager - de ware symmetrie is icosaëdrisch net als die van een voetbal. Het is mogelijk de orbitalen te bepalen in deze lagere symmetrie met gebruikmaking van de groepentheorie. Er blijkt dan dat de hoge ontaardingsgraad van de f-, g- en h-orbitalen gebroken wordt. De 7 f-orbitalen, die gelijke energie hebben voor een bol, splitsen op in een groep van 3 en een groep van 4 die twee verschillende energieën hebben. De 11 h-orbitalen splitsen op in een groep van 5 (H$_u$) en twee van 3 (T$_{1u}$ en T$_{2u}$). Dit betekent dat alle elektronen nu gepaard in het vijfvoudig ontaarde niveau H$_u$ geplaatst kunnen worden en dit verklaart de magnetische en elektrische eigenschappen.
Interessant is dat dit ook de elektrische en magnetische eigenschappen van de fulleriden K$_3$C$_{60}$ en K$_6$C$_{60}$ verklaart. De toevoeging van 3 resp. 6 elektronen vult het lege, drievoudig ontaarde niveau T$_{1u}$ gedeeltelijk resp. geheel op. Dit verklaart waarom K$_6$C$_{60}$ een diamagnetische halfgeleider is, terwijl K$_3$C$_{60}$ geleiding vertoont.
* ↑ (en) WE Billups en MA Ciufolini. Buckminsterfullerenes, 1993. blz 93
* ↑ (en) British Broadcasting Corporation. Stars reveal carbon 'spaceballs', 22 juli 2010.
* ↑ (en) B Lebwohl voor Earthsky. Jan Cami on largest space molecule, 20 september 2010. Gearchiveerd op 26 maart 2023.
* ↑ (en) Chemical Bonding and Electronic Structure of Buckminsterfullerene