金剛石
金剛石晶瑩美麗,光彩奪目,是自然界最硬的礦石.在所有物質(zhì)中,它的硬度最大.測定物質(zhì)硬度的刻畫法規(guī)定,以金剛石的硬度為10來度量其它物質(zhì)的硬度.例如Cr的硬度為9、Fe為4.5、Pb為1.5、鈉為0.4等.在所有單質(zhì)中,它的熔點最高,達(dá)3823K.
金剛石晶體屬立方晶系,是典型的原子晶體,每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵,構(gòu)成正四面體.這是金剛石的面心立方晶胞的結(jié)構(gòu).
由于金剛石晶體中C—C鍵很強,所有價電子都參與了共價鍵的形成,晶體中沒有自由電子,所以金剛石不僅硬度大,熔點高,而且不導(dǎo)電.
室溫下,金剛石對所有的化學(xué)試劑都顯惰性,但在空氣中加熱到1100K左右時能燃燒成CO2.
金剛石俗稱鉆石,除用作裝飾品外,主要用于制造鉆探用的鉆頭和磨削工具,是重要的現(xiàn)代工業(yè)原料,價格十分昂貴.
石墨
石墨烏黑柔軟,是世界上最軟的礦石.石墨的密度比金剛石小,熔點比金剛石僅低50K,為3773K.
在石墨晶體中,碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成共價單鍵,構(gòu)成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又連成片層結(jié)構(gòu).層中每個碳原子均剩余一個未參加sp2雜化的p軌道,其中有一個未成對的p電子,同一層中這種碳原子中的m電子形成一個m中心m電子的大∏鍵(鍵).這些離域電子可以在整個兒碳原子平面層中活動,所以石墨具有層向的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì).
石墨的層與層之間是以分子間力結(jié)合起來的,因此石墨容易沿著與層平行的方向滑動、裂開.石墨質(zhì)軟具有潤滑性.
由于石墨層中有自由的電子存在,石墨的化學(xué)性質(zhì)比金剛石稍顯活潑.
由于石墨能導(dǎo)電,有具有化學(xué)惰性,耐高溫,易于成型和機械加工,所以石墨被大量用來制作電極、高溫?zé)犭娕?、坩堝、電刷、潤滑劑和鉛筆芯.
碳六十
20世紀(jì)80年代中期,人們發(fā)現(xiàn)了碳元素的第三種同素異形體——C60.
碳六十的發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)特點
1996年10月7日,瑞典皇家科學(xué)院決定把1996年諾貝爾化學(xué)獎授予Robert FCurl,Jr(美國)、Harold WKroto(英國)和Richard ESmalley(美國),以表彰他們發(fā)現(xiàn)C60.
1995年9月初,在美國得克薩斯州Rice大學(xué)的Smalley實驗室里,Kroto等為了模擬N型紅巨星附近大氣中的碳原子簇的形成過程,進(jìn)行了石墨的激光氣化實驗.他們從所得的質(zhì)譜圖中發(fā)現(xiàn)存在一系列由偶數(shù)個碳原子所形成的分子,其中有一個比其它峰強度大20~25倍的峰,此峰的質(zhì)量數(shù)對應(yīng)于由60個碳原子所形成的分子.
C60分子是以什么樣的結(jié)構(gòu)而能穩(wěn)定呢?層狀的石墨和四面體結(jié)構(gòu)的金剛石是碳的兩種穩(wěn)定存在形式,當(dāng)60個碳原子以它們中的任何一種形式排列時,都會存在許多懸鍵,就會非?；顫?就不會顯示出如此穩(wěn)定的質(zhì)譜信號.這就說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結(jié)構(gòu).由于受到建筑學(xué)家Buckminster Fuller用五邊形和六邊形構(gòu)成的拱形圓頂建筑的啟發(fā),Kroto等認(rèn)為C60是由60個碳原子組成的球形32面體,即由12個五邊形和20個六邊形組成,只有這樣C60分子才不存在懸鍵.
在C60分子中,每個碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子相連,剩余的未參加雜化的一個p軌道在C60球殼的外圍和內(nèi)腔形成球面大∏鍵,從而具有芳香性.為了紀(jì)念Fuller,他們提出用Buckminsterfullerene來命名C60,后來又將包括C60在內(nèi)的所有含偶數(shù)個碳所形成的分子通稱為Fuller,中譯名為富勒烯.
碳六十的制備
用純石墨作電極,在氦氣氛中放電,電弧中產(chǎn)生的煙炱沉積在水冷反應(yīng)器的內(nèi)壁上,這種煙炱中存在著C60、C70等碳原子簇的混合物.
用萃取法從煙炱中分離提純富勒烯,將煙炱放入索氏(Soxhlet)提取器中,用甲苯或苯提取,提取液中的主要成分是C60和C70,以及少量C84和C78.再用液相色譜分離法對提取液進(jìn)行分離,就能得到純凈的C60溶液.C60溶液是紫紅色的,蒸發(fā)掉溶劑就能得到深紅色的C60微晶.
碳六十的用途
從C60被發(fā)現(xiàn)的短短的十多年以來,富勒烯已經(jīng)廣泛地影響到物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)各個領(lǐng)域,極大地豐富和提高了科學(xué)理論,同時也顯示出有巨大的潛在應(yīng)用前景.
據(jù)報道,對C60分子進(jìn)行摻雜,使C60分子在其籠內(nèi)或籠外俘獲其它原子或集團,形成類C60的衍生物.例如C60F60,就是對C60分子充分氟化,給C60球面加上氟原子,把C60球殼中的所有電子“鎖住”,使它們不與其它分子結(jié)合,因此C60F60表現(xiàn)出不容易粘在其它物質(zhì)上,其潤滑性比C60要好,可做超級耐高溫的潤滑劑,被視為“分子滾珠”.再如,把K、Cs、Tl等金屬原子摻進(jìn)C60分子的籠內(nèi),就能使其具有超導(dǎo)性能.用這種材料制成的電機,只要很少電量就能使轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動.再有C60H60這些相對分子質(zhì)量很大地碳?xì)浠衔餆嶂禈O高,可做火箭的燃料.等等.