碳的同素異形體

摘要碳的同素同素異形體的研究發展具有非常重要的理論和現實意義，目前對其化學研究工作尚處于發展初期，許多艱巨和深入的工作還期待眾多的科學工作者不斷去努力探索。

中圖分類號:G633.8文獻標識碼:A

在自然界中，碳是一種廣泛存在的元素，是生命的基礎元素，一切動植物體中的有機質都是含碳的化合物。碳在地殼中的豐度為0.087%。發現碳的精確日期是不可能查清楚的，可證明碳是簡單物質的年代卻是不難弄清的。拉瓦錫編制并在1789年發表的《元素表》，碳是作為元素出現的。原子序數為6的碳原子，核外最外層有4個電子。其最外層電子排布式為2s22p2。在一定條件下，碳原子最外層的一個2s電子可以激發到2p軌道上去，混合組成新的4個sp3雜化軌道，具有4個未成對的價電子，可形成 sp3型、sp2 型，這兩種雜化狀態的晶體分別就是大家所熟悉的碳的二種同素異形體金剛石和石墨。

碳元素有單質、化合物兩種存在方式，大多以化合物形式存在，碳的化合物是地球上最多的。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、碳酸鹽、二氧化碳等動植物體內也含有碳。以單質形態存在的碳在自然界中大多是非晶碳，如木炭、煤、碳黑等無定型碳。以晶體結構形式存在的單質碳只有金剛石和石墨，而且在自然界的儲量很少。迄今為止，金剛石仍是世界上硬度最大的物質，是原子晶體，在工業上用作鉆頭、刀具以及精密軸承等。自從20世紀中期在高溫高壓的條件下，成功的合成了人造金剛石之后，由于金剛石薄膜化學氣相沉積技術的逐步成熟，使得金剛石作為超硬材料及功能材料，得到了廣泛應用，有了重要的用途。金剛石薄膜既是一種新穎的結構材料，又是一種重要的功能材料，目前已形成了金剛石產業。石墨是層狀晶體，質軟，有金屬光澤，可以導電。主要用來制造電極、石墨坩堝、電機碳刷、鉛筆芯以及潤滑劑等。通常所說的無定型碳，如焦炭、炭黑等都具有石墨結構。活性炭是經過加工處理所得的無定型碳，具有很大的比表面積，有良好的吸附性能。碳纖維是一種新型的結構材料，具有質輕、耐高溫、抗腐蝕、導電等性能，機械強度很高，廣泛用于航空、機械、化工和電子工業上，也可以用于外科醫療上。碳纖維也是一種無定型碳。

到20世紀八十年代中期，人們才發現并確認碳的第三種晶體—富勒烯(fullerene)碳原子簇的存在，并對其結構、性質進行了廣泛的研究。1985年，H.W.Kroto，R.E.Smalley和R.F.Curl等在惰性氣氛中用激光蒸發石墨，通過質譜檢測發現了碳的第三種同素異形體C60。他們因此而獲得1996年Nobel化學獎。后來又發現了C70，C50，C84，C120，C240等一系列碳原子簇。1990年，W.Kratschmer等在惰性氣氛下用電弧蒸發石墨成功地合成了C60，C70等。結構研究表明，C60分子具有球形結構，60個碳原子構成32面體，其中有20個正六邊形和12個正五邊形。在C60分子中，每個碳原子采用sp2雜化軌道與相鄰的3個碳原子成鍵，平均鍵角為116€埃揮脅斡朐踴膒軌道相互重疊，在球面內外形成大鍵。也有人認為碳原子以sp2.28雜化軌道成鍵。

C60結構的設想受美國建筑學R.Buckminster Fuller設計的圓頂建筑的啟發，C60被命名為Buckminsterfullerene。包括C60在內的碳原子簇分子稱為富勒烯，也稱為球碳。近20年，人們對C60等碳原子簇及其化合物進行大量的研究，以期在碳原子簇應用方面取得重大突破。1990年的下半年，美國與德國科學家合作，首次小批量合成了C60材料.1991年4月，美國貝爾公司的研究者發現C60籠內摻入堿金屬成為三維超導體，臨界溫度可高達48K。它們有可能用作催化劑和潤滑劑的基質材料。并且這種材料的制作工藝比陶瓷材料的制作工藝要簡單，這使得世界上許多科學家對C60的物理、化學性質及其實際應用的可能性產生了極大的興趣，有人甚至預言，C60材料在超導中的應用可能會超過陶瓷材料而成為超導材料中的后起之秀。北京大學化學系物理系和中國科學院物理研究所在1991年7月9日，研制成功了超導材料KxC60，其超導起始溫度為17.9K。這一研究成果表明，除稀土陶瓷材料之外，我國在高溫超導研究方面，又開辟了一條嶄新的途徑。

富勒烯、類富勒烯、碳納米管材料的相繼問世，使得碳基材料的基礎研究及其在電子科學領域的應用，更加廣泛的受到了關注。

除金剛石和石墨及C60等碳原子簇外，科學家們還發現了一些以新的單質形態存在的碳，因呈現銀灰色金屬光澤，被稱之為白碳。這里所說的白碳，是碳原子的外層電子進行sp雜化之后，形成的碳元素的一種同素異形體。具有一維線形結構。而工業應用中有時提到的白碳粉、白碳黑之類的“白碳”，實際上是指粉末狀的SiO2，并非實質意義上的碳元素。白碳亦稱為卡賓碳(carbyne)。可以元素碳為初始物，如石墨、金剛石、富勒烯或者其它非晶元素碳，直接或者間接(經過氣態碳)而轉變為卡賓碳。我們知道，金剛石、石墨和富勒烯，它們分別是由碳的 sp3 和sp2及sp2.28雜化鍵構成的三維結構、二維結構和零維結構。1921年，Tammann曾經提出了元素碳可能還存在由碳的sp雜化鍵，構成一維線形結構的同素異形體。到1960年時，前蘇聯科學院成功地合成了這種線形碳 ，并命名為卡賓碳。卡賓碳的出現，證實了Tammann 的預測。1969年以來，又有一些研究人員利用化學及物理方(下轉第223頁)(上接第216頁)法得到了這種物質。長期以來，由于人們沒有合適的制備方法有效、大量的制備卡賓碳，因此，對于它的物理及化學特性的研究甚少。幾十年來，關于卡賓碳的研究工作基本處于停滯狀態。但在1985年，富烯碳的研究熱潮又一次興起后，20世紀90年代，尤其是跨入21世紀前后，隨著納米技術、納米器件等高新技術的發展，具有獨特電子特性的卡賓碳又開始進入人們的視野而倍受關注，科學界對卡賓碳的探索和研究又有了濃厚的興趣。可以說，卡賓碳是當今世界科學最為關注的問題。但目前對于卡賓碳尚無系統的認識，所有關于卡賓碳的結構和性質狀態，都只是帶有理論設想色彩或一些分散的零星的實驗資料。卡賓碳是上個世紀科學界在碳領域留下來的一個迷人的問題，它已經成為21世紀科學家追逐成就的課題。

碳的同素同素異形體——富勒烯、卡賓碳是一個嶄新的化學研究領域，它的研究發展具有非常重要的理論和現實意義，目前對其化學研究工作尚處于發展初期，許多艱巨和深入的工作還期待眾多的科學工作者不斷去努力探索。

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