化学前沿

达到宝石级，产物外观无色、透明，可与天
然金刚石媲美
CO2转化金刚石的产率达8.9%，工艺重复
性好，结果日前已申请国际专利。
② 石墨及其石墨层间化合物
❒ 石墨
石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C
原子采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连 接在一起，同时在同一层上还有一个大 键。 同一层的碳C—C键长143 pm，层与层之间 的距离为335 pm。
335 pm
143pm
245.6pm 669.6 pm
❒ 石墨层间化合物
石墨的碳原子层间有较大的空隙，容易
插入电离能小的碱金属和电子亲和能大的
卤素、卤化物及酸等，形成石墨层间化合
物(GIC)。
石墨层间化合物的类型：石墨层间化合
物按基质——嵌入物间的化学键分类，分 为离子型和共价型两大类。
离子型化合物，碱金属之类的插入物形
成向石墨提供电子的层间化合物，称为施 主型；插入物为卤素、卤化物时，形成从 石墨得到电子的层间化合物，称为受主型 化合物。
高温直接氟化反应得到的氟化石墨及由
HClO4等强氧化剂在100 ℃以下的低温合成
的氧化石墨(含O及OH)，基质——嵌入物间
具有共价键，称共价型层间化合物。
化学前沿
理化学院

化学无所不在，所以化学的对象也几乎无
所不包。传统上，根据研究对象和方法的
不同一般把化学分为5个分支领域，即无机
化学、有机化学、分析化学、物理化学和
高分子化学。
一、无机化学
1. 概述

无机化学是研究无机化合物的性质及反应
的化学分支。

无机化合物包括除碳链和碳环化合物之外
的所有化合物，因此，无机化合物种类众
❒ 石墨层间化合物的合成
合成方法主要有直接合成法和电化学法。
直接合成法是使石墨与反应物直接接触反
应。
电化学法是将石墨作为阳极，反应物的电
解质溶液作电解液进行电解而制备石墨层间
化合物的方法。
应用
❒ 石墨层间化合物的结构
离子型石墨层间化合物中碳原子基本保持
石墨的平面层状结构，插入层的层间距增大，

化学的革新步伐。

在过去30年里，新兴的无机化学领域有无
机材料化学、生物无机化学、有机金属化
学、理论无机化学等等。

这些新兴领域的出现，使传统的无机化学
再次焕发出勃勃生机。
二、无机化学研究前沿
1. 无机碳化学
（1）概述
有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由
是金刚石的人工合成、碳纤维的开发应用、 石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇) 及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的 进展。
来也都得到证实，如In, La, Y, Er, Ce, Th等。

1961年，原子序数由1-103的元素全部被发
现，它们填满了周期表的第一至第六周期的
全部以及第七周期的前面16个位置。

1969年发现了104元素，1970年105。 106(1974年)、107(1981年)、108(1986年)、 109(1982年)、110(1994年)、111(1995年)、 112(1996年)和114(1998年)等。
质碳原子间的化学键是共价键。一般而言， 石墨的层平面要变形。
例如氟化石墨，其碳原子层是折皱的，折
皱面内各碳原子以sp3杂化轨道与其他3个碳 原子及1个氟原子结合，C—C键长与一般C —C单键相等，层间距为730pm，比未插入 层增大一倍多。
❒ 石墨层间化合物的功能与应用 ☛ 石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、 阶数不同而不同，其功能及应用是多方面 的，主要可用于：轻型高导电材料、电极 材料、新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及 同位素分离材料、防水防油剂等。
线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。
其化学稳定性为： 线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。
① 金刚石
金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、
光学工业、半导体工业及化学工业。
天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因
此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重 要研究开发领域。
❒ 金刚石的合成 ☛ 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道 的合成方法大致可分为两类：石墨转化法和 气相合成法。
石墨转化法
☛ 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的， 但在高温高压(由疏松到致密)下可能实现这 种转化，其温度和压力条件因催化剂的种类 不同而不同。 ☛ 石墨转化法可分为静态超高压高温法 和动态法两种。
静态超高压高温法：用高压设备压缩传压介
质产生3~10GPa的超高压，并利用电流通过
发热体，将合成腔加热到l000~2000℃高温。
气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石
的应用范围大大扩展，因为高温高压合成的
金刚石及天然金刚石的应用只是利用其高硬
度特性，其他优异的特性均因形态的限制而
未能得到很好的开发和利用。膜状金刚石必
然会进入半导体工业、电子工业及光学等领
域。
最新进展
国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》
(J. Am. Chem. Soc.)刊发了中国科技大学陈乾
动态法：利用动态波促使石墨直接转变成金
刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速
碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产
生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作
用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别
加以控制，但装置相对简单，单次装料多， 因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧 结成大颗粒多晶体，但质量较差。
☻ 防水防油剂——如氟化石墨的表面自
由能和聚四氟乙烯相近或略低，显示了
极强的疏水性。因此，可利用此疏水性
预防因水而引起的润滑和污染附着。在
镀镍时，如使Ni和氟化石墨共ห้องสมุดไป่ตู้，可得 防水性极强的金属表面。
☻ 石墨复合磁粉——将铁盐插入石墨层间可 制得石墨复合磁粉，其磁性能优于γ-Fe2O3磁 粉，用作磁记录介质，可增大对带基附着力、 减小对磁头的磨损、提高其防潮性能及温度 稳定性。
原子簇、线型碳是碳的几种同素异形体。
金刚石，原子晶体，碳原子以sp3杂化成键
石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以 sp2杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨
富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间 以s0.305p0.695杂化轨道成键(3条键) ；碳原 子上还有1条键(s0.085p0.915)；
③ 碳纤维 碳纤维是由有机纤维经炭化及石墨化处理 而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构 类似人造石墨，是乱层石墨结构。
❒ 碳纤维的制备
☛ 目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈 碳纤维和沥青碳纤维。 ☛ 碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化 (预氧化)、炭化及石墨化等4个过程。其间伴 随的化学变化，包括脱氢、环化、氧化及脱 氧等。
旺教授领导的研究组的论文“低温还原二氧
化碳(CO2)合成金刚石” 。
他们自己研制高压反应釜进行实验，用安
全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为 还原剂，在440℃和800个大气压的条件下， 经过12小时的化学反应，终于成功地将CO2 还原成了金刚石。
目前，已能生长出1.2毫米的金刚石，有望
电导率比石墨更高，有的超过了铜(电导率
为5.3×107 S· m-l)，且这些物质的密度比一
般金属低，故作为轻型导电材料受到青睬。
☻ 固体润滑剂——用氟化石墨作固体润滑剂， 具有在高温、真空或氧化还原气氛中保持好 的润滑性能的优点(而一般的石墨存在润滑性 能下降的缺陷)。这是由于氟化石墨的层面由 C—F键构成，其表面能极小，容易滑动之故。
其优点是能较长时间保持稳定的高温高压条
件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，
但设备技术要求高。
为了获得粒度较大的优质金刚石单晶，普遍 采用过渡金属(Ni，Fe，Co等)及其合金作触 媒，保持约5GPa的压力、1500K的温度到一 定的时间，使石墨转化金刚石。要获得优质 粗粒的金刚石单晶，一般用石墨片与触媒片 交替组装的方式。

人类究竟还能发现多少新元素？据核物理
理论的预测，175号元素可以稳定存在，当
然这种预测是否正确还需要实验的验证。

至今耕耘周期系来发现和合成新化合物仍 是化学科学的传统工作。 20世纪以来，由于化学工业及其他相关产 业的兴起，无机化学又有了更广阔的舞台。 如航空航天、能源石化、信息科学以及生 命科学等领域的出现和发展，推动了无机
未插入层的层间距无变化。
石墨层间化合物按插入层的分布分为不 同的阶数。
☛ 一阶化合物每隔1个碳原子层插入1层反应 物，如C8K； ☛ 二阶为每隔2层插入1层反应物，如C24K； ☛ 三阶为每隔3层插入1层反应物，如 C36K…… 依此类推。据报道已有阶数为15的 层间化合物。
在共价型石墨层间化合物中，嵌入物与基
☻ 贮氢及同位素分离材料——钾、铷、铯等
碱金属的石墨层间化合物在一定温度下能化
学或物理吸附氢。如C8K吸附氢生成
C8KHx(0≤x≤2)，且离解温度及离解能低，吸
附与解吸完全可逆，达平衡的时间短，因而
可作贮氢材料。更有趣的是这种吸附对氢、
氖、氦有选择性，可用于氢同位素分离。
☻ 新型催化剂——如C8K作乙烯、苯乙烯等 聚合反应的催化剂，石墨－钾－FeCl3三元层 间化合物作H2和N2为原料合成氨的催化剂， 350 ℃下1h转化率可达90 %。
波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、助推火
箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水
泥地板，并有取代钢筋的可能性。
☛ 作为非结构材料，碳纤维复合材料可作密 封材料、耐磨材料、隔热材料、电极材料。
☛ 在原子能工程上用碳纤维。石墨复合材料
❒ 碳纤维的性质及其应用 ☛ 碳纤维具有模量高、强度大、密度小、 耐高温、抗疲劳、抗腐蚀、自润滑等优异性 能。从航天、航空、航海等高技术产业到汽 车、建筑、轻工等民用工业的各个领域正逐 渐得到越来越广泛的应用。主要用于导电、 隔热、过滤等方面。
☛ 碳纤维增强复合材料作结构材料。可作飞
机的尾翼或副翼, 通信卫星的天线系统和导

为此，德国学者Debereiner, Meyer、法国 学者de Chancourrois以及英国学者 Newlands,Odling等先后做了许多元素分类 的研究工作。

1871年，俄国学者Mendeleev发表了“化学 元素的周期性依赖关系”一文并公布了与 现行周期表形式相似的Mendeleev周期表。

元素周期律的发现奠定了现代无机化学的
基础。元素的周期性质是人们在长期科学
实践活动中通过大量的感性材料积累总结
出来的自然规律，它把自然界的化学元素
看做一个有内在联系的整体。正确的理论
用于实践会显示出其科学预见性。

按周期律预言过的15种未知元素，后来均陆
续被发现；

按周期律修改的某些当时公认的原子量，后
☻ 电极材料——石墨间隙化合物的电阻比石 墨本身还低，在垂直方向降低了约10倍，沿 石墨层水平方向降低了近100倍。而且间隙化 合物具有与真正的金属一样的电阻，即电阻 率随温度升高而升高。石墨层间化合物适宜 作电极。以氟化石墨为正极，锂为负极的一 次电池已工业化。
☻ 轻型高导电材料——石墨层间化合物的
石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉
末，使用时往往需烧结。此外，产品中还含
有未反应的石墨、催化剂等杂质，因此还需
提纯。这种产品主要用于精密机械制造领域。
气相合成法(CVD法)
气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往 是附在基体上的金刚石薄膜。研究表明，含 碳气态物质在一定高温分解出的甲基自由基， 甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为 金刚石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳 也处于sp3杂化状态，甲基自由基分解后便以 金刚石的形式析出。
这些以单质碳为基础的无机碳化学给人
们展现了无限的想象空间。 ☛ IBM表示将开发在碳纳米管上融合一片
集成电路的器件。
☛ 该技术有望加快下一代芯片产品的面世。
☛ 美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯
在较高温度下(117K)制造出了电阻为零的
有机超导体。
（2）碳单质及其衍生物
在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼
多，内容丰富。

人类自古以来就开始了制陶、炼铜、冶铁
等与无机化学相关的活动。

到18世纪末，由于冶金工业的发展，人们 逐步掌握了无机矿物的冶炼、提取和合成 技术，同时也发现了很多新元素。

到19世纪中叶，已经有了统一的原子量数
据，结束了原子量的混乱局面。

虽然当时人们已经积累了63种元素及其化 合物的化学及物理性质的丰富资料，但是 这些资料仍然零散而缺乏系统。