由碳原子构成的石墨、金刚石、碳60原子的物理性质为什么不同

由碳原子构成的石墨、金刚石、碳60原子的物理性质为什么不同

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.测定物质硬度的刻画法规定,以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度.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,它的熔点最高,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C—C键很强,所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有自由电子,所以金刚石不仅硬度大,熔点高,而且不导电.
室温下,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CO2.
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,是重要的现代工业原料,价格十分昂贵.
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∏键(键).这些离域电子可以在整个儿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力结合起来的,因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开.石墨质软具有润滑性.
由于石墨层中有自由的电子存在,石墨的化学性质比金刚石稍显活泼.
由于石墨能导电,有具有化学惰性,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.
碳六十
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.
碳六十的发现和结构特点
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Robert FCurl,Jr(美国)、Harold WKroto(英国)和Richard ESmalley(美国),以表彰他们发现C60.
1995年9月初,在美国得克萨斯州Rice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?层状的石墨和四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,就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∏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Fuller,中译名为富勒烯.