|
碳有多种同素异形体：金刚石、六方金刚石（发现于陨石）、六方石墨、三方石墨、白碳、球碳、管碳等，但以石墨为主。 在金刚石晶体中，碳原子按四面体成键方式相互连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石晶体中C-C键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石不仅硬度最大，熔点极高，而且不导电。在工业上主要用于制造钻探用的钻探和磨削工具，形成完整的金刚石还用于制造首饰等。 石墨具有层状结构，层内每个碳原子以SP2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成共价σ单键，核间距为142pm。同层中每个碳原子均余下一个未参与杂化的P轨道，并占有一个未成对的P电子，这种碳原子中的P轨道相互叠加，形成一个垂直于σ键平面的m中心m电子的大π键。这些离域的电子可以在整个平面层中活动，所以石墨具有层向的良好的导电、导热性。石墨的层与层之间的距离较大（335pm），是以范德华力结合，很容易沿着与层平行的方向滑动、裂解，因此石墨质软且具有润滑性。所以用它制造电极和高温热电偶，坩埚和冷凝器等化工设备，火箭发动机喷嘴和宇宙飞船、导弹的某些部件，在核反应堆中做中子减速剂及防射线材料等，石墨粉可用作润滑剂、颜料和铅笔芯。 自然界有金刚石和石墨矿，大量的工业用的石墨和金刚石是人工制造的。人造石墨是用石油、焦炭和煤焦油或沥青，经过成型烘干，最后在真空电炉中加热到3273K左右得到的。 高温条件有利于使石墨转变为金刚石。工业上就是利用高温（1273℃）、高压以Co或Ni为催化剂，大量生产人造金刚石。 C60是由60个碳原子相互联结的多边形所构成的近乎球形的分子，是碳单质的一种新的存在形式。它的结构由于像著名建筑师布朗明斯特·富乐所设计的一个博览会建筑圆顶，所以C60又叫“富勒烯”或“布基球”。 在种类繁多的碳原子簇中，以C60研究的最为深入，因为它最稳定。C60中每个碳原子与周围3个碳原子相连，形成了3个σ键，参与组成2个六元环，1个五元环。剩余的轨道和电子共同组成离域π键，也简单地表示为每个碳原子和周围3个碳源形成2个单键和1个双键。 C60分子组成的晶体是面心立方和六方密堆积，C60球之间的作用力是范德华的作用力，而不是化学键力，C-C之间的距离为一般C-C键长的两倍。 C60与碱金属作用形成的AXC60，具有超导性能，其超导临界温度比金属合金超导体高，而且AxC60是球状结构，属三维超导，因此，很有发展前途的材料。C60的化合物也可能作为新型催化剂或催化剂载体、超级润滑剂的材料。还有可能在导体、高能电池和药物等领域得到应用。 |
|
|
