碳的同素异形体.doc

碳的同素异形体王法泽 F0611004班 5061109114摘要：归纳总结了碳的四种同素异形体，并从结构和性质方面进行简要地比较，从而体现结构决定性质的化学思想。关键词：同素异形体、富勒烯、碳纳米管。碳是最早被发现和利用的元素之一。长期以来人们以为单质碳的同素异形体有金刚石、石墨和无定形碳三种，1985年C60的发现将人类领入认识碳的全新领域富勒烯，美国科学家Curl和Smalley教授及英国科学家Kroto教授为此获得1996年诺贝尔化学奖。从平面低对称性分子到全对称的球形分子，从简单分子到富勒烯笼内包原子的超分子，从一维超导到三维超导，从平面的石墨到一维管状的碳纳米管，富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域，极大地丰富和提高了科学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。图1各种结构的碳：金刚石，C60，石墨，（10，10）型纳米碳管（From Nanotube image gallery at Rice University）下面简单介绍几种同素异形体的结构和性质：（1）金刚石的结构和性质：在金刚石中，C原子以sp3杂化轨道形成四面体的键，每个碳原子均以四个按四面体分布的键与相邻的四个碳原子结合成庞大的分子。在金刚石中C原子的所有外层电子都参与成键，所以高纯而完整的金刚石晶体是绝缘体。金刚石的晶体结构除通常见到的立方晶体外还有六方晶体。由于CC键贯穿整个晶体，使晶体解离困难，因此金刚石是天然存在最硬的物质。它的抗压强度高，耐磨性能好，熔点高，而且具有抗腐蚀、抗辐射等优良性能。（2）石墨的结构和性质：石墨为层型结构，层中每个C原子以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子形成三个等距离的 键，由此形成C原子的无限平面层。而各个碳原子垂直于该平面的Pz轨道，彼此相互重叠形成离域键，使层中C原子间距离变为1415pm，较CC单键短，其键级相当于 4/3 。石墨晶体主要有六方晶系和三方晶系两种对称性。这种结构使石墨的力学性质显示出鲜明的各向异性，在和层平等的方向上显示出完整的解离性，层间易于滑动，所以石墨很软，是良好的固体润滑剂。（3）无定形碳的结构和性质：无定形碳是由石墨层型结构的分子碎片互相大致平等地无序堆积，间或有碳按四面体成键方式互相键连，而形成无序结构。在无定形碳中，以四面体成键的碳有多有少，多则形成比较坚硬的无定形碳如焦炭、玻璃态碳等。焦炭、木炭、炭黑和玻璃态碳等是无定形碳的主要存在形式，而煤和碳纤维等的结构则介于石墨和无定形碳之间。（4）C60的结构与特性 C60的结构研究表明，C60是一个由12个五元环和20个六元环组成的球形32面体，它的外形酷似足球。六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合，形成类似苯环的结构，它的键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的键，也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的键，是以sp2.28杂化轨道（s成分为30，p成分为70）形成的键。C60的键垂直于球面，含有10的s成分，90的p成分，即为s0.1p0.9。C60中两个键间的夹角为106o，键和键的夹角为101.64o。 由于C60的共轭键是非平面的，环电流较小，芳香性也较差，显示不饱和双键的性质，易于发生加成、氧化等反应，现已合成了大量的C60衍生物。 富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能，具有超导，半导体，强磁性等特点，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。例如，掺杂有碱金属的C60K3C60和Rb3C60，具有超导性，有较高的超导临界温度，分别为18 K和28 K。最近，美国朗讯公司贝尔实验室将氯仿（CHCI3）和溴仿（CHBr3）掺入C60中，使超导临界温度大大提高。将来如能将C60掺杂物的超导临界温度提高到室温，人类就得到了极理想的超导材料。 （5）碳纳米管的结构和性质图3碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT，MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层）From Ref. 3, 61) 结构：碳纳米管(Carbon nanotube)是1991年被日本科学家饭岛（Iijima）发现的一种针状的管形碳单质结构。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空、两端基本上都封口的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，多于一层的则称为多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)。SWNT的直径一般为16 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36分子的直径相当, 但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。MWNT的层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为22Onm，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。碳纳米管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管（图4）。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成 碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离，Ruff等用Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。 图42) 性质：碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点。碳纳米管具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置取代体积大、重量重的阴极电子管技术。碳纳米管由于纳米中空管及螺旋度的共同作用，具有极高的强度和理想的弹性，杨氏模量甚至可达1.3TPa，在内外层承受了16%的应变的情况下，碳纳米管没有断裂，证明其具有非凡的韧性和恢复能力。碳纳米管长径比在1万以上，强度比钢高100倍，但重量不及钢的1/6。碳纳米管具有如此优秀的力学性能，是一种绝好的纤维材料，它的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，可望应用于材料领域的多个方面。尤其在汽车、飞机及其它飞行器的制造上带来革命性的突破。碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小