单质碳

互联网2013-11-15

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碳在周期表里位于第 2 周期Ⅳ A 族 ( 第 14 列 ) ，它有 4 个价电子，电负性中等，它不容易丢失电子成正离子，也不容获得电子成负离子，而容易形成各式各样的共价键。碳单质有 3 种同素异形体。

金刚石  碳原子的 4 个价电子，按四面体的 4 个顶点方向和其他 4 个碳原子以 C-C 共价键结合，形成无限的三维骨架 。两个碳原子核间距离 ( 即 C-C 键长 ) 为 154pm(1.54 × 10 ^{-8} cm=1.45 <img height="23" src="http://img.dxycdn.com/trademd/upload/asset/meeting/2013/11/15/A1384415941.gif" width="18" /> ) 。

金刚石 的三维结构在各个方向都有很高的强度，在天然产物中它的硬度最高，在单质中它的熔点最高，并且不导电。

石墨  每个碳原子都按平面正三角形方向和其他 3 个碳原子以共价键结合，形成一个六角形平面层。 C-C 键长为 142pm ，在垂直于层的方向上，还有一个价电子以π键 ( 见第 3 章 ) 的方式将无数的平面层连结在一起，层间距为 340pm 。层间价电子活动比较自由，石墨的导电性、滑动性都与此结构状态有关。做铅笔芯的并不是铅而是石墨，但铅笔这个名词已沿用至今。石墨和金刚石都是碳元素的单质，由于结构不同，性质差别很大，但在一定的条件下，石墨可以变为人造金刚石，但变化条件相当苛刻—— 2000 ℃以上， 1500MPa 。自然界中金刚石储量不多，而新科技对这样坚硬的材料需求日益增长，促使人们进行人造金刚石的研究，并随此发展了高温高压技术。

球碳  1985 年以来化学家和物理学家合作，发现了碳的第 3 种单质——球碳 。以石墨棒为电极，在氦气氛中放电，电弧产生的碳原子团沉积在冷却反应器内壁，经分离提纯得到一种由 60 个 C 原子构成的 C _{60} 分子。它的形状很像足球，碳原子位于由 12 个正五边形和 20 个正六边形组成的 60 个顶点处，俗称“足球烯” 。 C _{60} 的结构，现在已由红外光谱、电子显微镜、 X 射线衍射和电子衍射等多种方法测定。而这种结构的初始设想却是受到美国建筑学家 Buckminster Fuller 用五边形和六边形构成球形薄壳建筑结构的启发，因此也有 Fullerball( 富勒球 ) 之称。后来还发现了 C _{50} ， C _{70} ， C _{84} ， C _{120} 等各种各样的多面体碳分子，目前对这类物质的研究尚处于开拓阶段。它们有可能做催化剂、润滑剂、超导体等的基质材料。 [ 美 ]Smalley R E ，［美］ Curl R F 和［英］ Kroto H W ，因对开拓这个化学新领域的贡献荣获 1996 年诺贝尔化学奖。