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單質碳

放大字體  縮小字體 發布日期:2006-08-18

碳在周期表里位于第2周期ⅣA(14),它有4個價電子,電負性中等,它不容易丟失電子成正離子,也不容獲得電子成負離子,而容易形成各式各樣的共價鍵。碳單質有3種同素異形體。

金剛石 碳原子的4個價電子,按四面體的4個頂點方向和其他4個碳原子以C-C共價鍵結合,形成無限的三維骨架。兩個碳原子核間距離(C-C鍵長)154pm(1.54×10-8cm=1.45 )

金剛石 的三維結構在各個方向都有很高的強度,在天然產物中它的硬度最高,在單質中它的熔點最高,并且不導電。

石墨 每個碳原子都按平面正三角形方向和其他3個碳原子以共價鍵結合,形成一個六角形平面層。C-C鍵長為142pm,在垂直于層的方向上,還有一個價電子以π鍵(見第3)的方式將無數的平面層連結在一起,層間距為340pm。層間價電子活動比較自由,石墨的導電性、滑動性都與此結構狀態有關。做鉛筆芯的并不是鉛而是石墨,但鉛筆這個名詞已沿用至今。石墨和金剛石都是碳元素的單質,由于結構不同,性質差別很大,但在一定的條件下,石墨可以變為人造金剛石,但變化條件相當苛刻——2000℃以上,1500MPa。自然界中金剛石儲量不多,而新科技對這樣堅硬的材料需求日益增長,促使人們進行人造金剛石的研究,并隨此發展了高溫高壓技術。

球碳 1985年以來化學家和物理學家合作,發現了碳的第3種單質——球碳。以石墨棒為電極,在氦氣氛中放電,電弧產生的碳原子團沉積在冷卻反應器內壁,經分離提純得到一種由60C原子構成的C60分子。它的形狀很像足球,碳原子位于由12個正五邊形和20個正六邊形組成的60個頂點處,俗稱“足球烯”C60的結構,現在已由紅外光譜、電子顯微鏡、X射線衍射和電子衍射等多種方法測定。而這種結構的初始設想卻是受到美國建筑學家Buckminster Fuller用五邊形和六邊形構成球形薄殼建筑結構的啟發,因此也有Fullerball(富勒球)之稱。后來還發現了C50C70 C84C120等各種各樣的多面體碳分子,目前對這類物質的研究尚處于開拓階段。它們有可能做催化劑、潤滑劑、超導體等的基質材料。[]Smalley R E,[美]Curl R F 和[英] Kroto H W,因對開拓這個化學新領域的貢獻榮獲1996年諾貝爾化學獎。

 

 
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