高中化学第三章自然界中的元素3.1碳的多样性素材1鲁科必修1.doc

碳60 、石墨外,近来,科学家们又发现了一些以新的单质形态存在的碳,其中比较重要的是1985发现的C60。C60是一种由60个碳原子构成的分子,形似足球。目前,人们对C60的研究已经取得了很大的进展,将C60应用于超导体、材料科学等领域的探索正在不断地深入。我国在这方面的研究也取得了重大的成果,如北京大学和中国科学院物理所合作,已成功地研制出了金属掺杂C60的超导体。可以说,C60的发现,对于碳化学甚至整个化学领域的研究具有非常重要的意义。碳六十的发现和结构特点 199610月7日,瑞典皇家科学院决定把1996诺贝尔化学奖授予RobertFCurl,Jr(美国)、HaroldWKroto(英国)和RichardESmalley(美国),以表彰他们发现C60。 19959月初,在美国得克萨斯州Rice大学的Smalley实验室里,Kroto等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程,进行了石墨的激光气化实验。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子,其中有一个比其它峰强度大20~25倍的峰,此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。 C60分子是以什么样的结构而能稳定呢?层状的石墨和四面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式,当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时,都会存在许多悬键,就会非常活泼,就不会显示出如此稳定的质谱信号。这就说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于受到建筑学家BuckminsterFuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发,Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体,即由12个五边形和20个六边形组成,只有这样C60分子才不存在双键。在C60分子中,每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连,剩余的未参加杂化的一个p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大∏键,从而具有芳香性。为了纪念Fuller,他们提出用Buckminsterfullerene来命名C60,后来又将包括C60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fuller,中译名为富勒烯。碳六十的制备用纯石墨作电极,在氦气氛中放电,电弧中产生的烟炱沉积在水冷反应器的内壁上,这种烟炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯,将烟炱放入索氏(Soxhlet)提取器中,用甲苯或苯提取,提取液中的主要成分是C60和C70,以及少量C84和C78。再用液相色谱分离法对提取液进行分离,就能得到纯净的C60溶液。C60溶液是紫红色的,蒸发掉溶剂就能得到深红色的C60微晶。碳六十的用途从C60被发现的短短的十多以来,富勒烯已经广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药学各个领域,极大地丰富和提高了科学理论,同时也显示出有巨大的潜在应用前景。据报道,对C60分子进行掺杂,使C60分子在其笼内或笼外俘获其它原子或集团,形成类C60的衍生物。例如C60F60,就是对C60分子充分***化,给C60球面加上***原子,把C60球壳中的所有电子“锁住”,使它们不与其它分子结合,因此C60F60表现出不容易粘在其它物质上,其润滑性比C60要好,可做超级耐高温的润滑剂,被视为“分子滚珠”。再如,把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内,就能使其具有超导性能。