富勒烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及用途

1、2009210349 焦珂化學(xué)中最常說的一句話便是：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途。富勒烯C60，這一神奇的 物質(zhì)，自從發(fā)現(xiàn)以后就受到科學(xué)家的密切關(guān)注，積極探索它的用途，從而為人類生產(chǎn)生活帶來 更大的便利.正是由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，C60在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化、材料及生物等方面 表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，它是由60個(gè)碳原子以20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成 的具有30個(gè)碳碳雙鍵（C=C）的足球狀空心對(duì)稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。球體直 徑約為710pm，即由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形組成.其中五邊形彼此不相聯(lián)接只與六邊形相鄰。 與石墨相似，

2、每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道和相鄰三個(gè)碳原子相連，剩余的p軌道在C60分子的外 圍和內(nèi)腔形成n鍵.性質(zhì)顏色與性狀:C60在室溫下為紫紅色固態(tài)分子晶體，有微弱熒光；分子大?。篊60分子的直徑約為7.1埃（1埃二10的負(fù)十次冪 米）；密度：C60的密度為1.68g/cm3;溶解性：C60不溶于水等強(qiáng)極性溶劑，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非極性溶劑中有 一定的溶解性；導(dǎo)電性：C60常態(tài)下不導(dǎo)電。因?yàn)镃60大得可以將其他原子放進(jìn)它內(nèi)部，并影響其物理性質(zhì)， 因而可導(dǎo)電。另外，由于C60有大量游離電子，所以若把可作B衰變的放射性元素困在其內(nèi)部， 其半衰期可能會(huì)因此受到影響?；瘜W(xué)性質(zhì)氧化還原反應(yīng)：在光照

3、的條件下將C60與02反應(yīng)生成環(huán)氧化物C60O,但這種環(huán)氧化物不穩(wěn)定，用磯土分離 時(shí)能還原成C60。加成反應(yīng)：C60可以與氫或鹵素單質(zhì)進(jìn)行加成。把其完全氫化便得絨毛球烷(Fuzzyball)，化學(xué)式為 C60H60 (加成進(jìn)的氫原子有可能C60在籠內(nèi)也可能在C60外部)。烷基自由基R可與C60反應(yīng)生 成RC60加和物，RC60可生成C60直接鍵和啞鈴狀二聚體RC60-C60R。與金屬的反應(yīng)：C60與金屬的反應(yīng)分為兩種情況：一種是金屬被置于C60碳籠的內(nèi)部；另一種是金屬位于 C60碳籠的外部：C60碳籠內(nèi)配合物生成反應(yīng)。C60碳籠為封閉的中空的多面體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔直徑為7。1 埃，內(nèi)部可嵌入原子、

4、離子或小分子形成新的團(tuán)簇分子。能與C60生成C60(A)的金屬有:K、Na、 Cs、La、Ba、Sr、U、Y、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Th 等。除金屬外，He、Ne 等惰性氣體及 LiF、 LiCl、NaCl等極性分子亦可移置C60籠中.C60碳籠外鍵合反應(yīng).能與C60鍵合的金屬有：V、Fe、Co、Ni、Rh、Cu、La、Yb、Ag等。超導(dǎo)性磁性用途一用于增強(qiáng)金屬：在增強(qiáng)金屬材料方面，C60的作用將比焦炭中的碳更好，這是因?yàn)镃60比碳的顆粒更小、活 性更高，C60與金屬作用產(chǎn)生的碳化物分散體的顆粒大小是0。7nm，而碳與金屬作用產(chǎn)生的碳 化物分散體的顆粒大小為2m5m,在增強(qiáng)金屬的

5、作用上有較大差別。二用作新型催化劑C60具有烯烴的電子結(jié)構(gòu)，可以與過渡金屬（如鉑系金屬和鎳）形成一系列絡(luò)合物。例如 C60與鉑、鉞可以結(jié)合成（C2H5）3P2Pt C60和C60OsO4（四特丁基毗啶）等配位化合物， 它們有可能成為高效的催化劑。三用于氣體的貯存：利用C60獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，可以將C60用作比金屬及其合金更為有效和新型的吸氫材料。每 一個(gè)C60分子中存在著30個(gè)碳碳雙鍵，因此，把C60分子中的雙鍵打開便能吸收氫氣。與金屬 或其合金的貯氫材料相比，用C60貯存氫氣具有價(jià)格較低的優(yōu)點(diǎn)，而且C60比金屬及其合金要輕， 因此，相同質(zhì)量的材料,C60所貯存的氫氣比金屬或其合金要多.C60不

6、但可以貯存氫氣，還可以用來貯存氧氣。與高壓鋼瓶貯氧相比，高壓鋼瓶的壓力為 3.9X106Pa，屬于高壓貯氧法，而C60貯氧的壓力只有2.3X105 Pa,屬于低壓貯氧法。利用C60 在低壓下大量貯存氧氣對(duì)于醫(yī)療部門、軍事部門乃至商業(yè)部門都會(huì)有很多用途。四用于制造光學(xué)材料：由于C60分子中存在的三維高度非定域電子共軛結(jié)構(gòu)使得它具有良好的光學(xué)及非線性光學(xué)性能。 如它的光學(xué)限制性在實(shí)際應(yīng)用中可做為光學(xué)限幅器。C60還具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定 性等特點(diǎn)，使其做為新型非線性光學(xué)材料具有重要的研究?jī)r(jià)值，有望在光計(jì)算、光記憶、光信號(hào) 處理及控制等方面有所應(yīng)用.五用于制造高分子材料：由于C60特殊籠形結(jié)構(gòu)及功能，將C60做為新型功能基團(tuán)引入高分子體系，得到具有優(yōu)異導(dǎo)電、 光學(xué)性質(zhì)的新型功能高分子材料。C60摻入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成為很有前途的光學(xué)限幅 材料.六生物學(xué)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用：1 ）用于制造生物活性材料3）其他醫(yī)療功能由于用C60