碳的同素异形体

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1、碳的同素异形体*石墨石墨（graphite）是一种矿物名，通常产于变质岩中，是 煤或碳质岩石（或沉积物）受到区域变质作用或岩浆侵入 作用形成。石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子 的周边连结著另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个 六边形，每层间有微弱的范德华引力。由于每个碳原子均 会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于 导电体。石墨是其中一种最软的矿物，不透明且触感油腻， 颜色由铁黑到钢铁灰，形状呈晶体状、薄片状、鳞状、条 纹状、层状体或散布在变质岩中。化学性质不活泼，具有耐腐蚀性。石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为12,沿垂直方向随杂质的增加 其硬度可增至35。

2、比重为1. 92. 3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件 下，其熔点在3000r以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有 SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、 CO2、H2、 CH4、 N2 等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥 发分和灰分的含量。*钻石（金刚石）金刚石的化学式C-N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子，N个C的聚 合体。只能用它的元素符号加注释来表示C（金刚石）.钻石就是我们常说的金刚

3、石 ,它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的 物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、 拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。金刚石与石墨同属于碳的单质。是一种具有超硬、耐磨、热敏、传热导、半导体及透远等优异的物理性能，素有“硬度之王”和宝石之王的美称，金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。上个世纪50年代，美国以石墨为原料，在高温高压下成功制造出人造金刚石。现在人造金刚石已经广泛用于生产和生活中，虽然造出大颗粒的金刚石还很困难（所 以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经可以制成了金刚石的薄膜。金刚石的化学成分为C,与石墨同是碳的同质多

4、象变体。在矿物化学组成中，总含有Si、 Mg、 Al、 Ca、 Mn、 Ni 等元素，并常含有 Na、 B、 Cu、 Fe、 Co、 Cr、 Ti、 N 等杂质元素，以 及碳水化合物。金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心 具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为154pm。常见晶形有八 面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。金刚石的硬度是刚玉的4倍，石英的8倍。详细绝对硬度如下：金刚石10000-2500刚 玉2500-2100石英1550-1200。矿物性脆，贝壳状或参差状断口，在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开，具有平行八

5、面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。矿物质纯，密度一般为 3 470-3 560kg/m3 。金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以 是半透明或不透明。多数金刚石大多带些黄色。金刚石的折射率非常高，色散性能也很强， 这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧 光。金刚石仅产出于金伯利岩筒中。金伯利岩是它们的原生地岩石，其他地方的金刚石都是 被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000 r时，它会缓 慢地变成石墨。金刚石的颜色取决于纯净程度、所含杂质元素的种类和含量，极纯净者无色，

6、一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等；纯净者透明，含杂质的半透明或 不透明；在阴极射线、 X 射线和紫外线下，会发出不同的绿色、天蓝、紫色、黄绿色等色的 荧光；在日光曝晒后至暗室内发淡青蓝色磷光；金刚光泽，少数油脂或金属光泽，高折射率， 一般为 2.40-2.48。金刚石的热导率一般为136.16w/ (mk),其中IIa型金刚石热导率极高，在液氮温度 下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降，如在室温时为铜的5倍；比热容随温度上升 而增加，如在-106C时为399.84J/(kg k), 107C时为472.27J/(kgk)；热膨胀系数极小， 随温度上升而增高，如在-38.8

7、C时为0，0C时为5.6X10-7；在纯氧中燃点为720800C， 在空气中为850-1 000C，在绝氧下2 000-3 000C转变为石墨。金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓 HF、 HCl、 HNO3 作用，只 在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中，或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时，表 面会稍有氧化；在O、CO、C02、H、Cl、H20、CH4的高温气体中腐蚀。金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯lb型金刚石具良 好的半导体性能。根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异，可将金刚石分为I 型和II型两类，并进一步细

8、分为I a、Ib、IIa、IIb四个亚类。I型金刚石，特别是I a 亚型,为常见的普通金刚石，约占天然金刚石总量的98%。I型金刚石均含有一定数量的氮， 具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。II型金刚石极为罕见，含极少或几乎不含氮， 具良好的导热性和曲面晶体的特点。lib亚型金刚石具半导电性。由于II型金刚石的性能优 异，因此多用于空间技术和尖端工业。*富勒烯(Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯) 科学家们发现，除金刚石、石墨外，还有一些新的以单质形式存在的碳。其中发现较早 并已在研究中取得重要进展的是C60分子。C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足

9、球烯。(C60这种 物质是由C60分子组成的，而不是由原子构成的。)C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为 正五边形， 20个为正六边形。其相对分子质量约为720。处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用近似于sp2杂化轨道重叠形成O键，每个碳 原子的三个O键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子杂化轨道理论计算值为 sp2.28，每个碳原子的三个O键不是共平面的，键角约为108或120，因此整个分子为 球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个n电子的闭壳层电子结构， 因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着n电子云。分子轨道计算表明，

10、足球烯具有较大的离 域能。C60具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀、在光、 电、磁等领域有潜在的应用前景。*无定形碳(Amorphous，不是真的异形体，内部结构是石墨)包括木炭、焦炭、骨炭、糖炭和炭黑等，是单质碳的一类变体。无定形碳与石墨一样，也 是六方晶系片层结构，只是碳原子六角形环所构成的平面网层堆积不规则，晶体结构有明显 缺陷，晶粒很微细。无定形碳与少量砂子和氧化铁催化剂混合，在约3500C的电炉中加热， 使产生的碳蒸气凝聚，可得人造石墨。在无定形碳中，木炭是一种仍保持原物形状的多孔性固体，由木材或坚果壳等在隔绝空 气的条件下干馏制得。木炭可做燃料、黑色火

11、药的原料、吸附剂和脱色剂。焦炭是由煤在隔绝空气的条件下高温干馏制得，主要在冶炼金属时用作还原剂，还可做无烟燃料，或用于生产水煤气。最纯净的无定形碳是糖炭，可由糖在隔绝空气条件下进行热分解而制得。为了除去杂质， 通常还要在赤热下用氯气处理，然后水洗，再在加热的氢气流中除去残留的氯。*碳纳米管(Carbon nanotube) 碳纳米管是典型的富勒烯，又称巴基管，是一种管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约 几微米。据理论计算，碳纳米管纤维的强度是钢的100 倍，而质量仅为钢的1/7，如果能做 成碳纤维，将是理想的轻质高强度材料。碳纳米管还具有极强的储气能力，可以在燃料电池 储氢装置上 碳纳米管具

12、有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管 的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特 殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子 材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定 的距离，约为0.34nm,直径一般为220nm。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独 特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强

13、度为钢的 100 倍，重量则只有钢的 1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体， 分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材 料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招 贴画那样挂在墙上。韩国的三星电子公司已展示了从纳 米管发射电子轰击屏幕的显示屏，该公司估计两年内碳 纳米管显示屏将上市。虽然碳纳米管的技术性能非常好 但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的 过程。目前，在各大学的物理系和像 IBM 那样的公司都 在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格是1000美元左右。 我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳 米

14、化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米 管的研究，必然带动相应学科的发展。*蓝丝黛尔石(Lonsdaleite，与钻石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金 刚石) 蓝丝黛尔石和钻石相同，也是由碳原子组成，但排列方式不同。模拟结果显示，蓝丝黛尔石可经受的压力比钻石高58%，也就是比钻石硬一半以上。蓝丝黛尔石在自然界中很稀少。钻石又因晶体结构及特性称作六方金刚石(hexagonal diamond)。蓝丝黛尔石是一种六方晶系的金刚石，属于碳同素异形体的一种构形，咸信 为流星上的石墨在坠入地球时所形成。撞击时的巨大压 力及热量改变石墨构形形成金刚石，却又保留了石墨的 平行六边形晶

15、格，并构成了立方的六方晶格。第一次鉴 别出蓝丝黛尔石是 1967 年在美国亚利桑那州的巴林杰 陨石坑(Barringer Meteor Crater)，从位在其中的魔谷 陨石(Canyon Diablo meteorite )中所发现。蓝丝黛尔 石发生在陨石的金刚石上，是一个连结在金刚石上非肉 眼可见的显微晶体。除魔谷陨石外，在美国新墨西哥州 的肯纳陨石(Kenna meteorite)、南极洲维多利亚地的 艾伦丘陵陨石77283(Allan Hills (ALH) 77283)上亦有发现。此外，1908 年6月30 日一个阿波罗星体（指外来星体，包括彗星及陨石）撞击俄罗斯 西伯利亚的通古斯加

16、撞击区也有发现报告。蓝丝黛尔石具有透明棕黄色的外观，屈光度在2.40 至2.41之间，比重在3.2至3.3之间，莫氏硬度（Mohs scale）在7至8之间。而金刚石的莫氏硬度则为10。蓝丝黛尔石较低 的硬度主要原因系天然形成矿石不纯且不完美所致。蓝丝黛尔石也可从聚合物聚碳炔氢 （PHC； poly（hydridocarbyne）在氩气的一大气压力下从摄氏110度开始到1000度热分解人 工合成。*赵石墨（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）*汞黝矿结构（Schwarzite,由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假 想结构）*纤维碳（Filamen

17、tous carbon，小片堆成长链而形成的纤维）*碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）也称炭气凝胶多用于海 水淡化 采用碳气凝胶技术可以提供超低阻值的电容产品，是独一无二的高能量储存设备。*碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁 磁性）碳纳米泡沫呈蛛网状，具有分形结构，有 铁磁性。泡沫由许多原子团簇构成，每个 含有约4000个碳原子，直径约6到9纳米； 其中很多原子团连在一起，形成了纤细的 网。在碳纳米泡沫

18、中，有许多七边形的结 构。研究者认为，七边形的结构造是它有 很多未成对的电子的原因；泡沫也因此而 具有了磁性，这是其他任何一种碳的同素 异形体所没有的特性。研究者还发现，在 低于-183C时，泡沫还具有永久磁性，但这种磁性在室温下却会慢慢消失。碳纳米泡沫的密度很低，与碳气凝胶很相似，但密度是它的百分之一；它是目前世上最 轻的物质之一，密度约为 2mg 每立方厘米，仅有海平面上空气密度的几分之一。这种泡沫 还是电的不良导体，可以积聚静电而吸附在其他物质上；它的热传导性也很差。它的制备方法为，在充满氩气的容器中放入玻璃形状的碳，用每秒一万次的激光脉冲轰 击，使其温度骤升到大约1万摄氏度并爆炸，在容器壁上即可获得一层碳纳米泡沫构成的薄 膜。由于纳米泡沫具有的铁磁性，将来有可能把它们的颗粒注射入人体，用来改善磁共振成 像的清晰程度。它们也可能被应用到利用电子自旋或电子磁性的自旋器件中。