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  rshua1112 2007-11-19 00:00:00

  碳，CARBON，源自carbo，也就是木炭，這種物質(zhì)發(fā)現(xiàn)得很早，上圖顯示出它的三種自然形式：鉆石、炭和石黑。碳的無數(shù)化合物是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚奈镔|(zhì)，產(chǎn)品從尼龍和汽油、香水和塑料，一直到鞋油、滴滴涕和等，范圍廣泛種類繁多。 碳的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史 碳可以說是人類接觸到的Z早的元素之一，也是人類利用得Z早的元素之一。自從人類在地球上出現(xiàn)以后，就和碳有了接觸，由于閃電使木材燃燒后殘留下來木炭，動(dòng)物被燒死以后，便會(huì)剩下骨碳，人類在學(xué)會(huì)了怎樣引火以后，碳就成為人類的“伙伴”了，所以碳是古代就已經(jīng)知道的元素。發(fā)現(xiàn)碳的精確日期是不可能查清楚的，但從拉瓦錫(Lavoisier A L 1743—1794法國(guó))1789年編制的《元素表》中可以看出，碳是作為元素出現(xiàn)的。碳在古代的燃素理論的發(fā)展過程中起了重要的作用，根據(jù)這種理論，碳不是一種元素而是一種純粹的燃素，由于研究煤和其它化學(xué)物質(zhì)的燃燒，拉瓦錫首先指出碳是一種元素。 碳在自然界中存在有三種同素異形體——金剛石、石墨、C60。金剛石和石墨早已被人們所知，拉瓦錫做了燃燒金剛石和石墨的實(shí)驗(yàn)后，確定這兩種物質(zhì)燃燒都產(chǎn)生了CO2，因而得出結(jié)論，即金剛石和石墨中含有相同的“基礎(chǔ)”，稱為碳。正是拉瓦錫首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美國(guó)休斯頓賴斯大學(xué)的化學(xué)家哈里可勞特等人發(fā)現(xiàn)的，它是由60個(gè)碳原子組成的一種球狀的穩(wěn)定的碳分子，是金剛石和石墨之后的碳的第三種同素異形體。 碳元素的拉丁文名稱Carbonium來自Carbon一詞，就是“煤”的意思，它首次出現(xiàn)在1787年由拉瓦錫等人編著的《化學(xué)命名法》一書中。碳的英文名稱是Corbon。 碳六十的發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1996年10月7日，瑞典科學(xué)院決定把1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Robert FCurl，Jr(美國(guó))、Harold WKroto(英國(guó))和Richard ESmalley(美國(guó))，以表彰他們發(fā)現(xiàn)C60。 1995年9月初，在美國(guó)得克薩斯州Rice大學(xué)的Smalley實(shí)驗(yàn)室里，Kroto等為了模擬N型紅附近大氣中的碳原子簇的形成過程，進(jìn)行了石墨的激化實(shí)驗(yàn)。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(gè)碳原子所形成的分子，其中有一個(gè)比其它峰強(qiáng)度大20~25倍的峰，此峰的質(zhì)量數(shù)對(duì)應(yīng)于由60個(gè)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(gè)碳原子以它們中的任何一種形式排列時(shí)，都會(huì)存在許多懸鍵，就會(huì)非常活潑，就不會(huì)顯示出如此穩(wěn)定的質(zhì)譜信號(hào)。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(gè)碳原子組成的球形32面體，即由12個(gè)五邊形和20個(gè)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(gè)碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子相連，剩余的未參加雜化的一個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)領(lǐng)域，極大地豐富和提高了科學(xué)理論，同時(shí)也顯示出有巨大的潛在應(yīng)用前景。 據(jù)報(bào)道，對(duì)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(tuán)，形成類C60的衍生物。例如C60F60，就是對(duì)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(rùn)滑性比C60要好，可做超級(jí)耐高溫的潤(rùn)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(jī)，只要很少電量就能使轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。再有C60H60這些相對(duì)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。 碳的成鍵特征 碳在元素周期表中屬第ⅣA族頭一名元素，位于非金屬性Z強(qiáng)的鹵素元素和金屬性Z強(qiáng)的堿金屬之間。它的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為2s22p2，在化學(xué)反應(yīng)中它既不容易失去電子，也不容易得到電子，難以形成離子鍵，而是形成特有的共價(jià)鍵，它的Z高共價(jià)數(shù)顯然為4。 碳原子sp3雜化 碳原子sp2雜化 碳原子sp雜化-1 碳原子sp雜化-2 碳原子sp3雜化 碳原子的sp3雜化可以生成4個(gè)δ鍵，形成正四面體構(gòu)型。例如金剛石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。 在甲烷分子中，C原子4個(gè)sp3雜化軌道與4個(gè)H原子生成4個(gè)δ共價(jià)鍵，分子構(gòu)型為正四面體結(jié)構(gòu)。 碳原子sp2雜化 碳原子的sp2雜化生成3個(gè)δ鍵，1個(gè)∏鍵，平面三角形構(gòu)型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。 在COCl2分子中，C原子以3個(gè)sp2雜化軌道分別與2個(gè)Cl原子和1個(gè)O原子各生成1個(gè)δ共價(jià)鍵外，它的未參加雜化的那個(gè)p軌道中的未成對(duì)的p電子O原子中的對(duì)稱性相同的1個(gè)p軌道上的p電子生成了一個(gè)∏共價(jià)鍵，所以在C和O原子之間是共價(jià)雙鍵，分子構(gòu)型為平面三角形。 碳原子sp雜化-1 生成2個(gè)δ鍵、2個(gè)∏鍵，直線形構(gòu)型。例如CO2、HCN、C2H2等。 在CO2分子中，C原子以2個(gè)sp雜化軌道分別與2個(gè)O原子生成2個(gè)δ共價(jià)鍵，它的2個(gè)未參加雜化的p軌道上的2個(gè)p電子分別與2個(gè)O原子的對(duì)稱性相同的2個(gè)P軌道上的3個(gè)p電子形成2個(gè)三ZX四電子的大∏鍵，所以CO2是2個(gè)雙鍵。 在HCN分子中，C原子分別與H和N原子各生成1個(gè)δ共價(jià)鍵外，還與N原子生成了2個(gè)正常的∏共價(jià)鍵，所以在HCN分子中是一個(gè)單鍵，1個(gè)叁鍵。 碳原子sp雜化-2 生成1個(gè)δ鍵，1個(gè)∏鍵，1個(gè)配位∏鍵和1對(duì)孤對(duì)電子對(duì)，直線型構(gòu)型。例如在CO分子中，C原子與O原子除了生成一個(gè)δ共價(jià)鍵和1個(gè)正常的∏共價(jià)鍵外，C原子的未參加雜化的1個(gè)空的p軌道可以接受來自O(shè)原子的一對(duì)孤電子對(duì)而形成一個(gè)配位∏鍵，所以CO分子中C與O之間是叁鍵，還有1對(duì)孤電子對(duì)。 碳原子不僅僅可以形成單鍵、雙鍵和叁鍵，碳原子之間還可以形成長(zhǎng)長(zhǎng)的直鏈、環(huán)形鏈、支鏈等等。縱橫交錯(cuò)，變幻無窮，再配合上氫、氧、硫、磷、和金屬原子，就構(gòu)成了種類繁多的碳化合物。 二氧化碳 CO2是無色、無臭的氣體，在大氣中約占0.03%，海洋中約占0.014%，它還存在于火山噴射氣和某些泉水中。地面上的CO2氣主要來自煤、石油、天然氣及其它含碳化合物的燃燒，碳酸鈣礦石的分解，動(dòng)物的呼吸以及發(fā)酵過程。當(dāng)太陽(yáng)光通過大氣層的時(shí)候，CO2吸收波長(zhǎng)13~17nm的紅外線，如同給地球罩上一層碩大無比的塑料薄膜，留住溫暖的紅外線，不讓它散失掉，使地球成為晝夜溫差不太懸殊的溫室。CO2的溫室效應(yīng)為生命提供了舒適的生活環(huán)境。它還為生命提供了基本的材料，它是綠色植物進(jìn)行光和作用的原料。綠色植物每年通過光和作用，將大氣里CO2含的15 000億噸碳，變成纖維素、淀粉和蛋白質(zhì)，并且放出O2氣，供給動(dòng)物和人類食用。 綠色植物一直維持著大氣中O2和CO2的平衡，但近年來隨著全世界工業(yè)的高速發(fā)展和由此帶來的海洋污染，使大氣中CO2越來越多，據(jù)估計(jì)每年約增加百萬(wàn)分之二到四。這被認(rèn)為是對(duì)世界氣溫普遍升高有影響的一個(gè)重要因素。 關(guān)于CO2，我們從它的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備三個(gè)方面來介紹: 二氧化碳的結(jié)構(gòu) 在CO2分子中，碳原子采用sp雜化軌道與氧原子成鍵。 C原子的兩個(gè)sp雜化軌道分別與一個(gè)O原子生成兩個(gè)δ鍵。C原子上兩個(gè)未參加雜化的p軌道與sp雜化軌道成直角，并且從側(cè)面同氧原子的p軌道分別肩并肩地發(fā)生重疊，生成兩個(gè)∏三ZX四電子的離域鍵。因此，縮短了碳—氧原子間地距離，使CO2中碳氧鍵具有一定程度的叁鍵特征。決定分子形狀的是sp雜化軌道，CO2為直線型分子。

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