碳的同素異形體

碳的同素異形體*石墨石墨（graphite）是一種礦物名，通常產(chǎn)于變質(zhì)巖中，是煤或碳質(zhì)巖石（或沉積物）受到區(qū)域變質(zhì)作用或巖漿侵入作用形成。石墨是元素碳的一種同素異形體，每個(gè)碳原子的周邊連結(jié)著另外三個(gè)碳原子，排列方式呈蜂巢式的多個(gè)六邊形，每層間有微弱的范德華引力。由于每個(gè)碳原子均會(huì)放出一個(gè)電子，那些電子能夠自由移動(dòng)，因此石墨屬于導(dǎo)電體。石墨是其中一種最軟的礦物，不透明且觸感油膩，顏色由鐵黑到鋼鐵灰，形狀呈晶體狀、薄片狀、鱗狀、條紋狀、層狀體或散布在變質(zhì)巖中?；瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，具有耐腐蝕性。石墨質(zhì)軟，黑灰色；有油膩感，可污染紙張。硬度為1?2,沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至3?5。比重為1.9?2.3。比表面積范圍集中在1-20m2/g，在隔絕氧氣條件下，其熔點(diǎn)在3000r以上，是最耐溫的礦物之一。它能導(dǎo)電、導(dǎo)熱。自然界中純凈的石墨是沒(méi)有的，其中往往含有SiO2、A12O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外，還有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體部分。因此對(duì)石墨的分析，除測(cè)定固定碳含量外，還必須同時(shí)測(cè)定揮發(fā)分和灰分的含量。*鉆石（金剛石）金剛石的化學(xué)式C----N個(gè)C,金剛石是原子晶體，一塊金剛石是一個(gè)巨分子，N個(gè)C的聚合體。只能用它的元素符號(hào)加注釋來(lái)表示［C（金剛石）］.鉆石就是我們常說(shuō)的金剛石，它是一種由純碳組成的礦物。金剛石是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，因此也就具有了許多重要的工業(yè)用途，如精細(xì)研磨材料、高硬切割工具、各類鉆頭、拉絲模。還被作為很多精密儀器的部件。金剛石與石墨同屬于碳的單質(zhì)。是一種具有超硬、耐磨、熱敏、傳熱導(dǎo)、半導(dǎo)體及透遠(yuǎn)等優(yōu)異的物理性能，素有“硬度之王”和寶石之王的美稱，金剛石的結(jié)晶體的角度是54度44分8秒。上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)以石墨為原料，在高溫高壓下成功制造出人造金剛石?，F(xiàn)在人造金剛石已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)和生活中，雖然造出大顆粒的金剛石還很困難（所以大顆粒的天然金剛石仍然價(jià)值連城），但是已經(jīng)可以制成了金剛石的薄膜。金剛石的化學(xué)成分為C，與石墨同是碳的同質(zhì)多象變體。在礦物化學(xué)組成中，總含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等雜質(zhì)元素，以及碳水化合物。金剛石礦物晶體構(gòu)造屬等軸晶系同極鍵四面體型構(gòu)造。碳原子位于四面體的角頂及中心，具有高度的對(duì)稱性。單位晶胞中碳原子間以同極鍵相連結(jié)，距離為154pm。常見(jiàn)晶形有八面體、菱形十二面體、立方體、四面體和六八面體等。金剛石的硬度是剛玉的4倍，石英的8倍。詳細(xì)絕對(duì)硬度如下：金剛石10000-2500剛玉2500-2100石英1550-12000礦物性脆，貝殼狀或參差狀斷口，在不大的沖擊力下會(huì)沿晶體解理面裂開(kāi)，具有平行八面體的中等或完全解理，平行十二面體的不完全解理。礦物質(zhì)純，密度一般為 3470-3560kg/m3o金剛石有各種顏色，從無(wú)色到黑色都有，以無(wú)色的為特佳。它們可以是透明的，也可以是半透明或不透明。多數(shù)金剛石大多帶些黃色。金剛石的折射率非常高，色散性能也很強(qiáng)，這就是金剛石為什么會(huì)反射出五彩繽紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會(huì)發(fā)出藍(lán)綠色熒光。金剛石僅產(chǎn)出于金伯利巖筒中。金伯利巖是它們的原生地巖石，其他地方的金剛石都是被河流、冰川等搬運(yùn)過(guò)去的。金剛石一般為粒狀。如果將金剛石加熱到1000°C時(shí)，它會(huì)緩慢地變成石墨。金剛石的顏色取決于純凈程度、所含雜質(zhì)元素的種類和含量，極純凈者無(wú)色，一般多呈不同程度的黃、褐、灰、綠、藍(lán)、乳白和紫色等；純凈者透明，含雜質(zhì)的半透明或不透明；在陰極射線、X射線和紫外線下，會(huì)發(fā)出不同的綠色、天藍(lán)、紫色、黃綠色等色的熒光；在日光曝曬后至暗室內(nèi)發(fā)淡青藍(lán)色磷光;金剛光澤，少數(shù)油脂或金屬光澤，高折射率，一般為2.40-2.48。金剛石的熱導(dǎo)率一般為136.16w/(m?k)，其中IIa型金剛石熱導(dǎo)率極高，在液氮溫度下為銅的25倍，并隨溫度的升高而急劇下降，如在室溫時(shí)為銅的5倍；比熱容隨溫度上升而增加，如在-106C時(shí)為399.84J/(kg?k)，107C時(shí)為472.27J/(kg?k)；熱膨脹系數(shù)極小，隨溫度上升而增高，如在-38.8C時(shí)為0，0C時(shí)為5.6X10-7；在純氧中燃點(diǎn)為720?800C，在空氣中為850-1000C，在絕氧下2000-3000C轉(zhuǎn)變?yōu)槭＝饎偸瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性，高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用，只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融體中，或與K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸時(shí)，表面會(huì)稍有氧化；在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高溫氣體中腐蝕。金剛石還具有非磁性、不良導(dǎo)電性、親油疏水性和摩擦生電性等。唯lb型金剛石具良好的半導(dǎo)體性能。根據(jù)金剛石的氮雜質(zhì)含量和熱、電、光學(xué)性質(zhì)的差異，可將金剛石分為I型和II型兩類，并進(jìn)一步細(xì)分為Ia、Ib、IIa、IIb四個(gè)亞類。I型金剛石，特別是Ia亞型，為常見(jiàn)的普通金剛石，約占天然金剛石總量的98%。I型金剛石均含有一定數(shù)量的氮，具有較好的導(dǎo)熱性、不良導(dǎo)電性和較好的晶形。II型金剛石極為罕見(jiàn)，含極少或幾乎不含氮，具良好的導(dǎo)熱性和曲面晶體的特點(diǎn)。IIb亞型金剛石具半導(dǎo)電性。由于II型金剛石的性能優(yōu)異，因此多用于空間技術(shù)和尖端工業(yè)。*富勒烯(Fullerenes，也被稱為巴基球或足球烯)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除金剛石、石墨外，還有一些新的以單質(zhì)形式存在的碳。其中發(fā)現(xiàn)較早并已在研究中取得重要進(jìn)展的是C60分子。C60分子是一種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。(C60這種物質(zhì)是由C60分子組成的，而不是由原子構(gòu)成的。)C60是單純由碳原子結(jié)合形成的穩(wěn)定分子，它具有60個(gè)頂點(diǎn)和32個(gè)面，其中12個(gè)為正五邊形，20個(gè)為正六邊形。其相對(duì)分子質(zhì)量約為720。處于頂點(diǎn)的碳原子與相鄰頂點(diǎn)的碳原子各用近似于sp2雜化軌道重疊形成。鍵，每個(gè)碳原子的三個(gè)O鍵分別為一個(gè)五邊形的邊和兩個(gè)六邊形的邊。碳原子雜化軌道理論計(jì)算值為sp2.28，每個(gè)碳原子的三個(gè)。鍵不是共平面的，鍵角約為108°或120°，因此整個(gè)分子為球狀。每個(gè)碳原子用剩下的一個(gè)p軌道互相重疊形成一個(gè)含60個(gè)n電子的閉殼層電子結(jié)構(gòu)，因此在近似球形的籠內(nèi)和籠外都圍繞削電子云。分子軌道計(jì)算表明，足球烯具有較大的離域能。C60具有金屬光澤，有許多優(yōu)異性能，如超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕、在光、電、磁等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。*無(wú)定形碳(Amorphous，不是真的異形體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是石墨)包括木炭、焦炭、骨炭、糖炭和炭黑等，是單質(zhì)碳的一類變體。無(wú)定形碳與石墨一樣，也是六方晶系片層結(jié)構(gòu)，只是碳原子六角形環(huán)所構(gòu)成的平面網(wǎng)層堆積不規(guī)則，晶體結(jié)構(gòu)有明顯缺陷，晶粒很微細(xì)。無(wú)定形碳與少量砂子和氧化鐵催化劑混合在約3500C的電爐中加熱，使產(chǎn)生的碳蒸氣凝聚，可得人造石墨。在無(wú)定形碳中，木炭是一種仍保持原物形狀的多孔性固體，由木材或堅(jiān)果殼等在隔絕空氣的條件下干餾制得。木炭可做燃料、黑色火藥的原料、吸附劑和脫色劑。焦炭是由煤在隔絕空氣的條件下高溫干餾制得，主要在冶煉金屬時(shí)用作還原劑，還可做

無(wú)煙燃料，或用于生產(chǎn)水煤氣。最純凈的無(wú)定形碳是糖炭，可由糖在隔絕空氣條件下進(jìn)行熱分解而制得。為了除去雜質(zhì)，通常還要在赤熱下用氯氣處理，然后水洗，再在加熱的氫氣流中除去殘留的氯。*碳納米管(Carbonnanotube)碳納米管是典型的富勒烯，又稱巴基管，是一種管狀結(jié)構(gòu)的碳原子簇，直徑約幾納米，長(zhǎng)約幾微米。據(jù)理論計(jì)算，碳納米管纖維的強(qiáng)度是鋼的100倍，而質(zhì)量?jī)H為鋼的1/7,如果能做成碳纖維，將是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。碳納米管還具有極強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力，可以在燃料電池儲(chǔ)氫裝置上碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑一般為2?20nm。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值，如：其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是理想的一維模型材料;巨大的長(zhǎng)徑比使其有望用作堅(jiān)韌的碳纖維，其強(qiáng)度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6;同時(shí)它還有望用作為分子導(dǎo)線，納米半導(dǎo)體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場(chǎng)發(fā)射材料等?？茖W(xué)家們還預(yù)測(cè)碳納米管將成為21世紀(jì)最有前途的納米材料，以碳納米管為材料的顯示器將是很薄的，可以像招貼畫(huà)那樣掛在墻上。韓國(guó)的三星電子公司已展示了從納米管發(fā)射電子轟擊屏幕的顯示屏，該公司估計(jì)兩年內(nèi)碳納米管顯示屏將上市。雖然碳納米管的技術(shù)性能非常好，但因成本和其他因素其大規(guī)模推廣仍將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。目前，在各大學(xué)的物理系和像IBM那樣的公司都在制造碳納米管，每克碳納米管的價(jià)格是1000美元左右。我國(guó)對(duì)此項(xiàng)研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快。目前碳納米化學(xué)方興未艾，內(nèi)容豐富，前景誘人。通過(guò)對(duì)碳納米管的研究，必然帶動(dòng)相應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。*藍(lán)絲黛爾石(Lonsdaleite，與鉆石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石)藍(lán)絲黛爾石和鉆石相同，也是由碳原子組成，但排列方式不同。模擬結(jié)果顯示，藍(lán)絲黛爾石可經(jīng)受的壓力比鉆石高58%，也就是比鉆石硬一半以上。藍(lán)絲黛爾石在自然界中很稀少。鉆石又因晶體結(jié)構(gòu)及特性稱作六方金剛石(hexagonaldiamond)。藍(lán)絲黛爾石是一種六方晶系的金剛石，屬于碳同素異形體的一種構(gòu)形，咸信為流星上的石墨在墜入地球時(shí)所形成。撞擊時(shí)的巨大壓力及熱量改變石墨構(gòu)形形成金剛石，卻又保留了石墨的平行六邊形晶格，并構(gòu)成了立方的六方晶格。第一次鑒別出藍(lán)絲黛爾石是1967年在美國(guó)亞利桑那州的巴林杰隕石坑(BarringerMeteorCrater)，從位在其中的［魔谷隕石］(CanyonDiablometeorite)中所發(fā)現(xiàn)。藍(lán)絲黛爾石發(fā)生在隕石的金剛石上，是一個(gè)連結(jié)在金剛石上非肉眼可見(jiàn)的顯微晶體。除魔谷隕石外，在美國(guó)新墨西哥州的［肯納隕石］(Kennameteorite)、南極洲維多利亞地的艾倫丘陵隕石77283(AllanHills(ALH)77283)上亦有發(fā)

現(xiàn)。此外，1908年6月30日一個(gè)阿波羅星體（指外來(lái)星體，包括彗星及隕石）撞擊俄羅斯西伯利亞的通古斯加撞擊區(qū)也有發(fā)現(xiàn)報(bào)告。藍(lán)絲黛爾石具有透明棕黃色的外觀，屈光度在2.40至2.41之間，比重在3.2至3.3之間，莫氏硬度（Mohsscale）在7至8之間。而金剛石的莫氏硬度則為10。藍(lán)絲黛爾石較低的硬度主要原因系天然形成礦石不純且不完美所致。藍(lán)絲黛爾石也可從聚合物一一聚碳快氫（PHC；poly（hydridocarbyne））在氬氣的一大氣壓力下從攝氏110度開(kāi)始到1000度熱分解人工合成。*趙石墨（Chaoite，石墨與隕石碰撞時(shí)產(chǎn)生，具有六邊形圖案的原子排列）*汞黝礦結(jié)構(gòu)（Schwarzite，由于有七邊形的出現(xiàn)，六邊形層被扭曲到“負(fù)曲率”鞍形中的假想結(jié)構(gòu)）*纖維碳（Filamentouscarbon，小片堆成長(zhǎng)鏈而形成的纖維）*碳?xì)饽z（Carbonaerogels，密度極小的多孔結(jié)構(gòu)，類似于熟知的硅氣凝膠）碳?xì)饽z（Carbonaerogels，密度極小的多孔結(jié)構(gòu)，類似于熟知的硅氣凝膠）也稱炭氣凝膠多用于海水淡化采用碳?xì)饽z技術(shù)可以提供超低阻值的電容產(chǎn)品，是獨(dú)一無(wú)二的高能量?jī)?chǔ)存設(shè)備。*碳納米泡沫（Carbonnanofoam，蛛網(wǎng)狀，有分形結(jié)構(gòu)，密度是碳?xì)饽z的百分之一，有鐵磁性）碳納米泡沫呈蛛網(wǎng)狀，具有分形結(jié)構(gòu)，有鐵磁性。泡沫由許多原子團(tuán)簇構(gòu)成，每個(gè)含有約4000個(gè)碳原子，直徑約6到9納米；其中很多原子團(tuán)連在一起，形成了纖細(xì)的網(wǎng)。在碳納米泡沫中，有許多七邊形的結(jié)構(gòu)。研究者認(rèn)為，七邊形的結(jié)構(gòu)造是它有很多未成對(duì)的電子的原因；泡沫也因此而具有了磁性，這是其他任何一種碳的同素異形體所沒(méi)有的特性。研究者還發(fā)現(xiàn)，在低于-183°C時(shí)，泡沫還具有永久磁性，但這種磁性在室溫下卻會(huì)慢