碳单质的性质与用途

1.金刚石、石墨、活性炭、焦炭、炭黑、C60的性质与用途

碳的单质有金刚石、石墨、木炭、焦炭、活性炭等等，从晶体形态考虑，碳有两种同素异形体——石墨和金刚石。平常所说的无定形碳如木炭、活性炭、焦炭、炭黑等实际上也具有石墨的晶体结构，并不是真正的另一种晶体类型。直到8O 年代中期，人类发现了富勒烯(Fullerene)，科学家进一步研究确认富勒烯是碳元素存在的第三种晶体形态，至此人类对碳的认识提高了一个新层次。美国科学家Curl和Smalley教授及英国科学家Kroto教授为此荣获1996年诺贝尔化学奖。金刚石：金刚石为无色透明固体，硬度10莫氏，熔点3550℃，沸点4827℃，密度3.51g/cm3，是天然存在的最硬的物质。在温室下对所有化学试剂都显惰性，在氧气中燃烧温度为777℃，燃烧热为395.40KJ/mol。透明的金刚石可以作宝石或钻石。黑色和不透明的金刚石在工业上用以制钻头和切割金属、玻璃或矿石的工具。金刚石粉是优良的研磨材料，可以制砂轮[1]。

石墨：石墨为灰黑色不透明固体，硬度1莫氏,熔点3652℃,沸点4827℃，密度2.2g/cm3，是电和热的良导体。化学性质比金刚石稍活泼，在氧气中燃烧温度687℃,燃烧热为393.50KJ/mol。石墨能被强氧化剂如浓HNO、NaCIO4和KMnO4等氧化为石墨氧化物。石墨在工业上被大量地用于制造电极、坩埚、某些化工设备及高温热电偶，也可以作原子反应堆中的中子减速剂。石墨粉可以作润滑剂、颜料和铅笔芯。石墨能与许多金属生成碳化物，如青铜色的C8K[1]。

无定形碳：无定形碳大都为黑色不透明固体，物理性质各不相同。化学性质比金刚石和石墨都稍活泼。在高温下,除与O2及金属氧化物反应外,还与硫反应。与某些金属反应，可得到碳化物。

(1)木炭一般是由木材、纤维在隔绝空气的条件下加热制得,主要用于冶金、吸附剂、黑色火药原料。

(2)焦炭若是由煤干馏得到的，其成分和机械性能不一；若是由沥青或天然气的蒸馏残渣碳化得到的产物成分一致。焦炭主要用于冶金和化工原料。

(3)炭黑是由气态烃不完全燃烧制得。它主要用作橡胶硬化的催化剂和橡胶的填料和制油墨。

(4)活性炭一般用于椰子壳、核桃壳、锯末粉等为原料干馏制是的粗炭,再用适量的氯化锌、氯化铵等盐类掺和或浸泡，并在一定温度上密闭加热制得。活性炭由于多孔性而具有较大的内表面积，因而有较大的吸附能力。它主要用于吸附剂。富勒烯:是由碳原子所形成的一系列分子的总称,如C28、C32、C50、C90等等，其中1985年发现的C60是富勒烯系列全碳分子中的典型。C60除了能发生简单的加成反应外。还能与亲核试剂、自由基反应,同时也能发生各种环加成反应。在此基础上还能形成三维的聚合物。一些C60化合物具有光电性质和铁磁性质及良好的催化性能；在所得的聚合物材料中,一些是具有光限制作用的非线性光学材料和具有很好光电性质的材料；某些C60衍生物对爱滋病毒有明显的抑制作用，特别是通过各种碱金属、碱土金属对C60的掺杂,获得了一类崭新的有机化合物分子的超导体,此类超导体与二维氧化物高温超导体及一维有机超导体很不相同,它们是各向同性的三维超导体。[1]

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1.北京师范大学等校无机化学教研室．无机化学[M]北京:高等教育出版社，1981．

碳单质三种晶体形态与杂化轨道理论的关系：

杂化轨道理论认为：碳原子基态为 lS22S22Px12Py1,在原子键合的瞬间会发生跃迁：C(基态): lS22S22Px12Py1→C(激发态):1S22S12Px12Py12Pz1 。其中,能级相近的2s 和2P轨道可以进行线性组合产生新轨道.这样经过杂化后的原子相互结合成分子时，原子中价电子的运动状态发生变化，电子云集聚和延伸在某个方向上，以便与其它原子的轨道更有效地重迭而形成稳固的化学键，使体系能量降低。

在金刚石中，C原子采用等性的SP3杂化，四个杂化轨道形状完全相同，只是空间取向不同．其角度分布的极大值分别指向四面体的四个顶点，具都是单电子轨道，每个碳原子都以SP3杂化轨道分别与相邻的四个碳原子形成共价单键。键角为109.5°,构成四面体。每个碳原子位于正四面体的中心,周围四个碳原子位于四个顶点,在空间构成连续的、坚固的骨架结构。因此可以把整个晶体看成为一个巨大的分子,故金刚石是典型的网状原子晶体。由于C—C键的键能大,所有的价电子都参与共价键的形成，晶体中没有自由电子存在,故金刚石硬度大,熔点高，不导电，化学性质稳定。

在石墨中，C原子是采用等性SP2杂化,三个SP2杂化轨道形状完全相同，空间取向不同。每个碳原子上的三个单电子的SP2轨道分别与相邻的三个碳原子成键。键角为120°,形成正六角形蜂巢状的平面层状结构。而每个碳原子还有一个没参与杂化的单电子2P轨道,这些 P轨道都垂直于碳原子SP2杂化轨道构成的平面，互相平行，形成离域的大∏键。这些∏电子可以在整个碳原子的平面上活动，而平面结构的层与层之间则靠范德华力结合，形成了片状的过渡型晶体。故石墨质软(片层间的分子间作用力较弱)，熔点高（层内的共价键较牢固),有金属光泽,是电和热的良导体。石墨化学性质不活泼。[1]

活性炭的晶型具有石墨那样的精细结构，。在活性炭的内部的原子或离子同它周围的原子或离子相互作用，价键力是饱和的，但是固体表面的原子或离子,有一部分暴露在外界空间。每个碳原子上还有一个未成键的P轨道，价键力没有饱和，因此外来分子就会被活性炭表面吸引而浓集在表面上。又因为活性炭是有很多表面积的多孔物质，所以活性炭具有很大的吸附能力。[2]

C60是由60个碳原子所构成的球形32面体,即由12个五边形和20个六边形组成。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P轨道在C60外围和内腔形成球面∏键,类似于石墨的离域∏电子,因而具有芳香性。2

教学要求及方法：

1.理解碳单质的性质，并由性质推出用途。学生能初步理解性质决定着用途。

2.碳单质的性质存在差异是由于结构不同，进而需要讲清杂化轨道理论，帮助

学生理解性质不同是由于结构存在差异。

3.通过这部分知识的讲解，学生形成结构决定性质，性质决定用途的观点。

1.大连工学院无机化学教研室.无机化学[M].北京:人民教育出版社.1978

2.戴树东,朱国辉.碳单质及其杂化轨道理论基础[J].漳州职业大学学报.2001