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碳元素的各种单质简介
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作者:佚名 来源:文章中心 加入时间:2006-10-1 人气:1057

  碳在地壳中的含量为0.027%,在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。
  目前全世界已经发现的化合物种类已达400多万种,其中绝大多数是碳的化合物,不含碳的化合物不超过10万种。在现有的112种元素中,除碳以外的111种元素,它们之间所形成化合物数目,大约仅是碳这一种元素所形成化合物总数的1/40。碳是地球上化合物种类最多的元素。
  众所周知,生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长,演变成为蛋白质和核酸;然后演化出原始的单细胞,又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩,直至人类。这三四十亿年的生命交响乐,它的主旋律是碳的化学演变。可以说,没有碳就没有生命。碳是生命世界的栋梁之材。
  纯净的、单质状态的碳有三种,它们是金刚石、石墨和C60。它们是碳的三种同素异形体。
  1.金刚石
  
  金刚石晶莹美丽,光彩夺目,是自然界最硬的矿石。在所有物质中,它的硬度最大。测定物质硬度的刻划法规定,以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度(详细见附表)。例如Cr的硬度为9,Fe为4.5,Pb为1.5,钠为0.4等。在所有单质中,金刚石的熔点最高,达3823K。
  金刚石晶体属立方晶系,是典型的原子晶体,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键,构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。
  
  由于金刚石晶体中碳碳键很强,所有价电子都参与了共价键的形成。晶体中没有自由移动电子,所以金刚石不仅硬度大,熔点高,而且不导电。
  常温下,金刚石对所有的化学试剂都显惰性,但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成二氧化碳。
  金刚石俗称钻石,除用作装饰品外,主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具,它是重要的现代工业原料,价格十分昂贵。
  2.石墨
  石墨乌黑柔软,是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小,熔点比金刚石仅仅低50K,为3773K。
  
  在石墨晶体中,碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键,构成六角平面的网状结构。这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道,其中有一个未成对的p电子,同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大π键( 键)。这些离域电子可以在整个碳原子平面层中活动,所以石墨具有层向的良好导电、导热性质。
  
  石墨的层与层之间是以分子间作用力结合起来的,因此石墨很容易沿着与层平行的方向滑动、裂开。石墨质软具有润滑性。
  由于石墨层中又自由的电子窜咱,因此石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。许多分子和离子能渗入石墨层间形成插入化合物或者称为层状化合物。例如用过量钾处理石墨,石墨片层和π电子体系不变,由于K的插入得到电子, ,使片层带负电荷,得到铜色、顺磁性的C8K。它很活泼,在空气中能燃烧;加热在分解为蓝色的C24K、C36K、C48K和C60K。C24K是还原烯烃和炔烃的催化剂。
  由于石墨能导电,又具有化学惰性,耐高温,易于成型和机械加工,所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。
  3.C60
  20世纪80年代中期,人们发现了碳元素的第三种同素异形体:C60。
  (1)C60的发现和结构特点
  1996年10月7日,瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予Curl R. F. (美国)、Kroto H. W. (英国)和Smalley R. E. (美国),以表彰他们对C60的发现。
  1985年9月初,在美国得克萨斯州赖斯大学的Smalley 实验室里,Kroto 等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程,进行了石墨的激光气化实验。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子,其中有一个比其它峰强度大20~25倍的峰。此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。
  C60分子是以什么样的结构而能稳定呢?层状的石墨和八面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式。当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时,都会存在许多悬键,就会非常活泼,不会显示出如此稳定的质谱信号。这就说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于受到建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发,Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体,即由12个五边形和20个六边形组成,只有这样C60分子才不存在悬键。
  在C60分子中,每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连,剩余的未参加杂化的一个p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大π键,从而具有芳香性。为了纪念Fuller,他们提出用Buckminsterfullerene 来命名C60,后来又将包括C60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fullerene,中译名为富勒烯。
  
  (2)C60的制备
  用纯石墨作电极,在氦气氛中放电,电弧中产生的烟炱沉积在水冷反应器的内壁上,这种烟炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。
  用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯,将烟炱放入索氏(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。再用液相色谱分离法对提取液进行分离,就能得到纯净的C60溶液。C60溶液是紫红色的,蒸发掉溶剂就能得到深红色的C60微晶。
  (3)C60的用途
  在C60被发现的短短的十多年中,富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料学、电子学、生物学、医药学等各个领域,极大地丰富和提高了科学理论,同时也显示出具有巨大的潜在应用前景。
  据报道,对C60分子进行掺杂,使C60分子在其笼内或笼外俘获其它原子或集团,形成类C60的衍生物。例如C60F60,就是对C60分子充分氟化,给C60球面加上氟原子,把C60球壳中的所有电子“锁住”,使它们不与其它分子结合,因此C60F60表现出不容易粘在其它物质上的特性,其润滑性比C60要好,可作超级耐高温的润滑剂,被视为“分子滚珠”。再如,把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内,就能使其具有超导性能。用这种材料制成的电机,只要很少电量就能使转子不停地转动。再有,C60H60这些相对分子质量很大的碳氢化合物热值极高,可作火箭的燃料,等等。
  附:相对硬度利用摩氏硬度计划分,它由十各常见矿物组成。
物质    滑石    石膏    方解石    萤石    磷灰石    正长石    石英    黄玉    刚玉    金刚石
硬度    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10
  十级硬度从小至大依次为:①滑石;②石膏;③方解石;④萤石;⑤磷灰石;⑥长石;⑦石英;⑧黄玉;⑨刚玉;⑩金刚石。测试方法是用宝石去刻划这些矿物,刻得出痕时,宝石比该种矿物硬,如用金绿宝石可以刻得动黄玉,而刻不动刚玉,则其相对硬度约为8.5。除了标准硬度矿物外,人们还常用其它简便工具测硬度,如指甲硬度约为2.0~2.5,铜钥匙为3.0,小钢刀为5.0~5.5,玻璃为6.0等。 

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