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碳的同素异形体
作者：陆维丽
来源：《科教导刊》2010年第30期
摘要碳的同素同素异形体的研究发展具有非常重要的理论和现实意义,目前对其化学研究
工作尚处于发展初期,许多艰巨和深入的工作还期待众多的科学工作者不断去努力探索。
中图分类号:G633.8文献标识码:A
在自然界中,碳是一种广泛存在的元素,是生命的基础元素,一切动植物体中的有机质都是含碳的化合物。碳在地壳中的丰度为0.087%。发现碳的精确日期是不可能查清楚的,可证明碳是简单物质的年代却是不难弄清的。拉瓦锡编制并在1789年发表的《元素表》,碳是作为元素出现的。原子序数为6的碳原子,核外最外层有4个电子。其最外层电子排布式为2s22p2。在一定条件下,碳原子最外层的一个2s电子可以激发到2p轨道上去,混合组成新的4个sp3杂化轨道,具有4个未成对的价电子,可形成 sp3型、sp2 型,这两种杂化状态的晶体分别就是大家所熟悉的碳的二种同素异形体金刚石和石墨。
碳元素有单质、化合物两种存在方式,大多以化合物形式存在,碳的化合物是地球上最多的。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、碳酸盐、二氧化碳等动植物体内也含有碳。以单质形态存在的碳在自然界中大多是非晶碳,如木炭、煤、碳黑等无定型碳。以晶体结构形
式存在的单质碳只有金刚石和石墨,而且在自然界的储量很少。迄今为止,金刚石仍是世界上硬度最大的物质,是原子晶体,在工业上用作钻头、刀具以及精密轴承等。自从20世纪中期在高温高压的条件下,成功的合成了人造金刚石之后,由于金刚石薄膜化学气相沉积技术的逐步成熟,使得金刚石作为超硬材料及功能材料,得到了广泛应用,有了重要的用途。金刚石薄膜既是一种新颖的结构材料,又是一种重要的功能材料,目前已形成了金刚石产业。石墨是层状晶体,质软,有金属光泽,可以导电。主要用来制造电极、石墨坩埚、电机碳刷、铅笔芯以及润滑剂等。通常所
说的无定型碳,如焦炭、炭黑等都具有石墨结构。活性炭是经过加工处理所得的无定型碳,具有很大的比表面积,有良好的吸附性能。碳纤维是一种新型的结构材料,具有质轻、耐高温、抗腐蚀、导电等性能,机械强度很高,广泛用于航空、机械、化工和电子工业上,也可以用于外科医疗上。碳纤维也是一种无定型碳。
到20世纪八十年代中期,人们才发现并确认碳的第三种晶体—富勒烯(fullerene)碳原子簇的存在,并对其结构、性质进行了广泛的研究。1985年,H.W.Kroto,R.E.Smalley和R.F.Curl等在惰性气氛中用激光蒸发石墨,通过质谱检测发现了碳的第三种同素异形体C60。他们因此而获得1996年Nobel化学奖。后来又发现了C70,C50,C84,C120,C240等一系列碳原子簇。1990
年,W.Kratschmer等在惰性气氛下用电弧蒸发石墨成功地合成了C60,C70等。结构研究表
明,C60分子具有球形结构,60个碳原子构成32面体,其中有20个正六边形和12个正五边形。