碳族元素-碳的单质、碳纳米管(无机化学碳族元素备课笔记).doc

精品文档13.1 碳及其化合物1、 单质(1) 金刚石金刚石（俗称钻石）为原子晶体，每个碳原子均以sp3杂化状态与相邻的四个碳原子结合成键，形成正四面体构型、空间网状结构的原子型晶体。其熔沸点高，硬度大（所有物质中硬度最大，莫氏硬度为10），难溶于溶剂，不导电，化学性质不活泼。几乎对所有化学试剂显惰性，但在空气中加热800以上燃烧CO2。（莫氏硬度：又名莫斯硬度,表示矿物硬度的一种标准。1812年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：滑石1（硬度最小），石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10，硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。）金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。多数金刚石大多带些黄色。金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。1977年12月21日，在山东省临沭县常林大队，女社员魏振芳发现1颗重158.786克拉的优质巨钻-中国最大的金刚石，全透明，色淡黄，可称金刚石的“中国之最”。被命名为“常林钻石”.（约鸡蛋黄大小，右图）。世界上最大的工业用金刚石和宝石级金刚石均产于巴西，都超过3100克拉（1克拉=200毫克）。现在人造金刚石已经广泛用于生产和生活中，虽然造出大颗粒的金刚石还很困难（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经可以制成了金刚石的薄膜、金刚石小晶体。常林钻石用途：金刚石是自然界中最坚硬的物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。关于人造金刚石：直接法人造金刚石或利用瞬时静态超高压高温技术，或动态超高压高温技术，或两者的混合技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石，这种方法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。 熔媒法人造金刚石用静态超高压(50100kb，即510GPa) 和高温(11003000C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石，有待进一步解决的问题是增大粗粒比，提高转化率和改善晶体质量。目前正在实验室中用静压熔媒法研究优质大颗粒单晶金刚石的形成。加晶种外延生长法曾得到重1克拉左右的大单晶;用一般试验技术略加改进后，曾得到24毫米左右的晶体。采用这种方法还生长和烧结出大颗粒多晶金刚石，后者在工业上已获得一定的应用，其关键问题在于进一步提高这种多晶金刚石的抗压强度、抗冲击强度、耐磨性和耐热性等综合性能。 外延法人造金刚石是利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。 “媛石”2010年12月，日本科学家成功合成了世界上最坚硬的金刚石，其直径超过1厘米，与其合作的公司称力争最快明年投产。 这种圆柱形的金刚石是日本爱媛大学研究人员与住友电器工业公司合作的成果，被命名为“媛石”，取自“爱媛”。 研究人员入船哲男介绍说，媛石是目前世界上最坚硬的人工金刚石，比普通金刚石坚硬很多，因此可以应用于诸多工业活动当中。“媛石可以帮助人们进一步了解在地球深处高压高温条件下形成的碳元素单质晶体；同时，作为一种工业用品，它的寿命也比普通金刚石长好几倍。”法国化学家享利莫瓦桑Ferdinand Frederic Henri Moissan， 1852 1907）在电镀制取最活泼的非金属而又毒性很大的氟，以及发明高温电炉并熔炼钨、钛、钼，钒等高熔点金属方面，做出了很大的贡献，表现了艰苦卓绝的科学探索精神。成为著名的科学家。 1799年，法国化学家摩尔沃把一颗金刚石转变为石墨。这激发了人们的逆向思维，能不能把石墨转化成金刚石呢？自此以后，人们对于怎样把石墨转化为金刚石，表现了极大的兴趣。 莫瓦桑利用自己发明的高温电炉制取了碳化硅和碳化钙，这促使他向极富诱惑力的“点石成金”术跃跃一试，他先试验制取氟碳化合物，再除去氟制取金刚石。没有成功，后来他设想利用他的高温电炉，把铁化成铁水，再把碳投入熔融的铁水中，然后把渗有碳的熔融铁倒人冷水中，借助铁的急剧冷却收缩时所产生的压力，迫使内中的碳原子能有序地排列成正四面体的大晶体。最后用稀酸溶去铁，就可拿到金刚石晶体。这个设想在当时看来，既科学又美妙。促使他和他的助手一次又一次的按这个构想方案做试验。1893年2月6日，他终于看到了他梦寐以求的“希望之星”。当他和助手用酸溶去铁后，在石墨残留物中，竟有口颗0.7mm的晶体闪闪发光！经检测这颗晶体真是金刚石。 “人造金刚石成功了！”欣喜若狂的莫瓦桑一再向报界宣传他的重大科研成果。这使本来因研制氟和高温电炉而著名的莫瓦桑，更加 名噪一时。 1906年评选诺贝尔化学奖时，极富盛名的莫瓦桑成了候选人。而另一个候选人便是以发现元素同期律，并排布元素周期表，预言与指导发现新元素的俄罗斯科学家门捷列夫。当时瑞典科学院化学分部投票表决时，10名委员中有5名投莫瓦桑的票，4票赞成门捷列夫，l票弃权。结果草瓦桑以一票的优势而获奖。虽然，莫氏确有重大科研成果。但是，相对于做出时代里程碑式贡献的门捷列夫来说，一为个别的，一为全局性的；一为重大成果，一为恩格斯所赞誉的“完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业相媲美。”当年的诺贝尔化学奖颁发给门捷列夫，应是历史的必然!可是却给予了名噪欧洲的莫瓦桑。1907年门捷列夫和莫瓦桑都相继逝世了。可是门捷列夫却失掉了再被评选的可能，这不能不说诺贝尔颁奖历史上的一大遗憾！ 话又得说回来。1906年瑞典诺贝尔基金会宣布，把相当于10万法郎的奖金授给莫瓦桑，是“为了表彰他在制备元素氟方面所做出的杰出贡献，表彰他发明了莫氏电炉，”证书上只字未提人造金刚石的事，但莫瓦桑在领奖致答词时，却一再强调他合成人造金刚石的创举。 成功的科学实验的第一特征是可重现性。 然而，莫瓦桑“成功”的人造金刚石试验，却只做了一次，他本人再也没做第二次，却浸沉在“成功“的盛名之中 由于金刚石具有巨大的商业利润和工业价值，不少的公司、企业集团纷纷组织科学家重复莫氏的合成金刚石试验，希望把科研成果转化为工业生产，但却没有一个成功。这就迫使一些人直接登门找莫瓦桑遗孀了解莫氏的试验情况。经查明，那次成功的人造金刚石试验，是由于莫氏生前的助手对反复无休止的试验感到厌烦，但又无法劝阻他不再做了，迫于无奈便俏俏的把实验室中的一颗天然金刚石混迹到实验中去，这便是那颗被誉为“摄政王”的真面目了。到头来，莫瓦桑的人造金刚石，仍然是“希望之星”，对这件事，当然不能说莫氏有意作伪骗人，但是，莫氏没有重复的做出成功的第二次、第三次实验，却律津乐道，陶醉于盛名，却不能不说是科学家不应有的过失。 1955年，美国科学家霍尔等在1650和95000个大气压下，合成了金刚石。并在类似的条件下重复多次亦获成功，产品经各种物理的、化学的检测，确证为金刚石。这是人类历史上第一次合成人造金刚石成功，然而，这已是莫瓦桑宣称“成功”的62年以后，莫氏逝世近半个世纪以后的事了。(2) 石墨石墨中每个碳原子以sp2杂化状态与相邻的三个碳原子结合成键，构成平面层状正六边形结构，每层上的原子各提供一个含成单电子的P轨道形成一个的大键；层间以分子间作用力结合。石墨各层间受力时易滑动，因此可作润滑剂。（有人认为鉴于石墨的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，认为石墨是一种混合晶体：对于同一层来说，它是原子晶体；层与层间范德华力结合，可认为是分子晶体；在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠，电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征，因此也归类于金属晶体）熔点高，质软，有滑腻感，有良好的导电性，常被用作电极。对一般化学试剂显惰性，但比金刚石活泼，在空气中500被氧化为CO2，可被热的浓HClO4氧化，据此可用于除掉人造金刚石中的石墨。应用：石墨可以作润滑剂、电极、铅笔芯、墨汁、耐火材料，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。石墨在工业上被大量地用于制造电极、坩埚、某些化工设备，也可以作原子反应堆中的中子减速剂，近年来有很多新的应用，如柔性石墨密封材料。无定形碳，如木炭、焦炭等实际上都具有石墨结构。(3) 碳原子簇（球碳、富勒烯）1985年,英国化学家哈罗德沃特尔克罗托博士（Sir Harold Walter Kroto，1939年10月7日）和美国科学家理查德埃里特史沫莱（Sir Richard Errett Smalley，1943年6月6日）等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。为此，克罗托博士获得1996年度诺贝尔化学奖。克罗托受建筑学家理查德巴克明斯特富勒（Richard Buckminster Fuller，1895年7月12日1983年7月1日）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为buckminster fullerene（巴克明斯特富勒烯，简称富勒烯）。 碳原子簇是由几十个乃至上百个碳原子组成的密闭分子，目前主要有C60、C70、C84等，还有C78、C82、C84C90、C96、碳纳米管等。对C60研究最为深入。C60分子具有球形结构（三十二面体），C原子形成12个五元环和20个六元环，每个碳原子以近似于sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，形成3个键，剩余的p轨道形成大键，其中碳的杂化状态介于sp2和sp3之间，约为sp2.28。C60不溶于水，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解性。C60分子具有芳香性，溶于苯呈酱红色。C60 可用电弧加热石墨棒或电弧法使石墨蒸发等方法制得。 C60 中嵌入过渡金属，具有超导性，是有发展前途的超导材料。碳纳米管：在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。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。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为220nm。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上。韩国的三星电子公司已展示了从纳米管发射电子轰击屏幕的显示屏，该公司估计两年内碳纳米管显示屏将上市。虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格是1000美元左右。我国对此项研究虽然起步