碳的结构与性质

原子和分子
CO、C2H2、复杂的烃 类、气相的多环芳烃
固态
带有未明确的π-π转变 的非石墨化碳、碳化硅
C+、简单的双原子分子、 带有强π-π转变的石墨、 气相多环芳烃和碳链 带有脂肪烃的含碳固体
稠密的星际环境 （ISM）
初生陨石中的星际 （IS）物质
CO、复杂的烃类
含碳的冰（CO、CO2、 CH3OH）、凝结的含 碳粒子
碳化物、石墨粒子、石 墨化程度较差的碳、洋 葱碳、纳米金刚石
气相的多环芳烃
地球上碳的丰度列第14位，总量为7x1016t，其中90%的碳 是以CaCO3的形式存在，其含碳量是化石燃料（煤、石油 及天然气）总碳量的1万倍以上。 大气7000 碳 被 同 化 等 10 00 氧 化 分 解 等 10 00 人 类 活 动 70 不 明 20 30 放 出 10 00 吸 收 10 00
B、菱形晶系（Rhombohedral stacking, 3R）
型 石 墨 , ABCABC.. 序 列； 六方晶胞和菱面晶胞； 良好结晶的石墨中， 3R 成分约占17% ，研磨 后可增加到22%； 热处理到2000℃，可 恢复到ABAB…序列。
金刚石的晶体结构
金 刚 石 的 显 微 硬 度 与 温 度 T 的 关 系
单晶金刚石与单晶硅、GaAs 的比较 性能 单晶金刚石 单晶 Si 5.45 1.11 能带间隙（ev） 2.7 1.0 饱和电子速度（107cm/s） 2200 350 电子迁移率（cm2/V.S） 1600 480 空穴迁移率（cm2/V.S） 0.5 介电强度（mV/cm） 5.5 11.9 介电常数
单晶 GaAs 1.43 2.0 8500 400 0.6 12.5
热导率（W/cm.K）
20
1.45
1.0
0.5
6.9
按约翰逊理论计算的电学品 8206.0 质因子（对 Si 的比值）
常温下，金刚石 20 Cu 4
80K， <15K 金刚石 200 Cu >金刚石 Cu 8
金 刚 石 热 导 率 与 温 度 T 的 关 系
A、六方晶系（Hexagonal unit ,2H）
高温高压的平衡稳定结构； 晶胞体积V=a0.sin60.a0.c0 =0.03519(nm)3 理论密度D=碳原子质量x 晶胞 内碳原子数/ 晶胞体积 =12.011x1.66x10-24x4/35.19x10-24 =2.266g/cm3
1、碳原子及其结合方式
碳原子的价态
碳的基态电子结构：1s22s22p2基态的原子 价为二价，但在许多化合物中碳多为四价。
形成共价键时一个2s电子被激发跃迁到 2p轨道上形成具有成键能力的四个价电 子↓ 1s22s2px2py2pz
杂化

2s2 碳的原子序数为6，具有很强 的结合能力

2p2

பைடு நூலகம்
2.2 石墨（Graphite）
SP2杂化轨道，2S2Px2Py三个在同一平面内互为 120℃角的三个等价的σ 键，剩余的2Pz轨道与σ 键 所在的平面垂直形成π 键； π 电子属非定域电子，在受到外电磁场作用时可在 六元环网上自由运动，形成金属键；π 键较弱，易 发生断裂； 特性：1）不熔融和极高的化学稳定性，a面内抗拉 强度极高； 2）导电导热性好；黑色； 3）解离性和自润滑性，易形成层间化合物； 4）各向异性。
-
岩石土壤等 7x107
石油煤
海洋4x105 石灰石6x108
6x104
目前地球上存在的碳及每年间的移动量（亿吨）
碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就 没有生命(生物学)。碳元素占人体总重量的18 %左右； 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、 塑料、合成纤维三大材料奠定了基础; 以碳为主的化石燃料仍然是目前的主要能源； 煤炭 石油 天然气
理想的石墨晶体结构中，碳原子呈六角形
排列，并向三维方向无限延伸，成为由六 角碳网平面层组成的三维点阵结构，平面 之间的层间距为0.3354nm，层面间以弱的 范德华力相结合，类似于分子晶体。 平面层内2Pz电子构成的键相互平行，彼 此重叠成大键体系，电子可以在平面网 层内自由地运动。 C-C键长1.42A.
碳的结构与性质
第一讲 碳的结构
一、碳的存在形式
18世纪，人们就已确定石墨和金刚石是单质碳， 1924年石墨的结构才被准确确定；
1968年，发现Carbyne碳；
1985年，发现C60等富勒烯族化合物；
1991年，发现多壁纳米碳管；
1993年，发现单壁纳米碳管； 2004年，提出Graphene(石墨烯)的概念。。。。
二、碳的多样性
在宇宙中，碳元素所占比例为0.3%，占第六 位； 在太阳系中碳含量位列第四位；
碳在宇宙进化中起着重要作用，目前已鉴定 出的星际和环绕星际的分子有118种，其中超 过75%是含碳分子。
宇宙中碳的形态
位置
包围在红色巨星和渐 进线巨型分支星的含 富碳星云 弥散的星际环境 （ISM）
人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材 料。各种炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和 日用品中得以应用。
★大量的中间过渡状态，很少的纯碳 结晶形式。 ★结晶形式：金刚石、石墨、咔宾、 富勒烯 ★非晶态：多种过渡形式炭，包括高 变质程度煤、人造石墨、热解炭、 玻璃炭、炭黑、CF等
三、碳的结构

石墨的各向异性
A 方向 弹性模量(105MPa) 热导率(KJ/m.h.K) 热膨胀系数(10-6/K) 电阻率(10-5Ω .m) 磁化率(单晶 10-6emu/g) 10.35 585-1463 -1.5 4-5 -0.5 C 方向 0.36 3.3-251 +28.6 500 -22
石墨的晶体结构
2s2px2py2pz
四个不成对电子，成键能力高。使碳 原子的杂化有三种价态：sp3 sp2 sp
SP3（正四面体） 、SP2（正三角型）、SP（直线型）
2、碳的同素异形体
2.1

金刚石
SP3杂化轨道，四个等同σ 共价键，具饱和性和方向性 面心立方晶体 特征： 1）硬而脆； 2）碳中密度最大（3.52g/cm3）； 3) 1800℃以上转换为石墨； 4）电绝缘体和热良导体； 5）具四个等同轨道，如果与氢、碳结合就形成典型的脂 肪族化合物。