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  CF云強(qiáng)菜鳥 2006-11-08 00:00:00

  碳在地殼中的含量為0.027％，在自然界中分布很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白云石、二氧化碳等。 目前全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物種類已達(dá)400多萬種，其中絕大多數(shù)是碳的化合物，不含碳的化合物不超過10萬種。在現(xiàn)有的112種元素中，除碳以外的111種元素，它們之間所形成化合物數(shù)目，大約僅是碳這一種元素所形成化合物總數(shù)的1/40。碳是地球上化合物種類Z多的元素。 眾所周知，生命的基本單元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架變化而來的。先是一節(jié)碳鏈一節(jié)碳鏈地接長，演變成為蛋白質(zhì)和核酸；然后演化出原始的單細(xì)胞，又演化出蟲、魚、鳥、獸、猴子、猩猩，直至人類。這三四十億年的生命交響樂，它的主旋律是碳的化學(xué)演變。可以說，沒有碳就沒有生命。碳是生命世界的棟梁之材。 純凈的、單質(zhì)狀態(tài)的碳有三種，它們是金剛石、石墨和C60。它們是碳的三種同素異形體。 1．金剛石 金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界Z硬的礦石。在所有物質(zhì)中，它的硬度Z大。測定物質(zhì)硬度的刻劃法規(guī)定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質(zhì)的硬度（詳細(xì)見附表）。例如Cr的硬度為9，F(xiàn)e為4.5，Pb為1.5，鈉為0.4等。在所有單質(zhì)中，金剛石的熔點(diǎn)Z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)。 由于金剛石晶體中碳碳鍵很強(qiáng)，所有價電子都參與了共價鍵的形成。晶體中沒有自由移動電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點(diǎn)高，而且不導(dǎo)電。 常溫下，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左右時能燃燒成二氧化碳。 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，它是重要的現(xiàn)代工業(yè)原料，價格十分昂貴。 2．石墨 石墨烏黑柔軟，是世界上Z軟的礦石。石墨的密度比金剛石小，熔點(diǎn)比金剛石僅僅低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mZXm電子的大π鍵（ 鍵）。這些離域電子可以在整個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作用力結(jié)合起來的，因此石墨很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。 由于石墨層中又自由的電子竄咱，因此石墨的化學(xué)性質(zhì)比金剛石稍顯活潑。許多分子和離子能滲入石墨層間形成插入化合物或者稱為層狀化合物。例如用過量鉀處理石墨，石墨片層和π電子體系不變，由于K的插入得到電子， ，使片層帶負(fù)電荷，得到銅色、順磁性的C8K。它很活潑，在空氣中能燃燒；加熱在分解為藍(lán)色的C24K、C36K、C48K和C60K。C24K是還原烯烴和炔烴的催化劑。 由于石墨能導(dǎo)電，又具有化學(xué)惰性，耐高溫，易于成型和機(jī)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。 3．C60 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。 （1）C60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)獎授予Curl R. F. （美國）、Kroto H. W. （英國）和Smalley R. E. （美國），以表彰他們對C60的發(fā)現(xiàn)。 1985年9月初，在美國得克薩斯州賴斯大學(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)個碳原子所形成的分子，其中有一個比其它峰強(qiáng)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？層狀的石墨和八面體結(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，就會非常活潑，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π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Fullerene，中譯名為富勒烯。 （2）C60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。 （3）C60的用途 在C60被發(fā)現(xiàn)的短短的十多年中，富勒烯已經(jīng)廣泛地影響到物理、化學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等各個領(lǐng)域，極大地豐富和提高了科學(xué)理論，同時也顯示出具有巨大的潛在應(yīng)用前景。 據(jù)報(bào)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(tuán)，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)上的特性，其潤滑性比C60要好，可作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(jī)，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)量很大的碳?xì)浠衔餆嶂禈O高，可作火箭的燃料，等等。 附：相對硬度利用摩氏硬度計(jì)劃分，它由十各常見礦物組成。 物質(zhì) 滑石 石膏 方解石 螢石 磷灰石 正長石 石英 黃玉 剛玉 金剛石 硬度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 十級硬度從小至大依次為：①滑石；②石膏；③方解石；④螢石；⑤磷灰石；⑥長石；⑦石英；⑧黃玉；⑨剛玉；⑩金剛石。測試方法是用寶石去刻劃這些礦物，刻得出痕時，寶石比該種礦物硬，如用金綠寶石可以刻得動黃玉，而刻不動剛玉，則其相對硬度約為8.5。除了標(biāo)準(zhǔn)硬度礦物外，人們還常用其它簡便工具測硬度，如指甲硬度約為2.0~2.5，銅鑰匙為3.0，小鋼刀為5.0~5.5，玻璃為6.0等。

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