高中化学选修2化学与技术-第三单元化学与材料的发展-第一节（2） 新型无机非金属材料

高中化学选修2化学与技术-第三单元化学与材料的发展-第一节（2） 新型无机非金属材料

新型无机非金 属材料 C60一颗璀璨的“明星分子” 碳的三种同分异型体的比较 金刚石 石墨 C60 结构和性质 金刚石 石墨 C60 C原子的成键形式 四面体 平面三角形 球面形 （直径710pm） C原子的杂化轨道 sp3 sp2 sp2.26(σ键s0.3 p0.7) C－C－C键角 109°28＇　 120° 116° C－C键长/pm 154.4 141.8 139.1(6/6) 145.5(6/5) 密度/g.cm-3 3.514 2.266 1.678 电阻/Ω.cm 1014～1016 (0.4-5.0)×10-4(∥层) (0.2-1.0)(⊥层) 硬度/Mohs 10 <1 碳的三种同分异型体的比较 “明星分子”的发现 Robert F.Curl教授 （Rice University） Harold W. Kroto教授 （University of Sussex） Richard E. Smalley教授 （ Rice University） C60的发现历程（一）——意外的发现 （1）Harold W. Kroto的研究领域是星际分子问 题 ； （2）Richard E. Smalley研究的是各种元素原子 簇的性质；Smalley发明了一台很好的仪器，叫激 光超声波原子束射线测试仪，这台测试仪可以进行 周期表内几乎所有元素的原子束的研究。 图2 质谱仪工作原理 图3 实验中得到的质谱图 C60的发现历程（二）——结构的鉴定 Smalley和他的夫人（也是一位科学家）最初使 用牙签搭建C60的模型，可惜没有成功；接着用计算 机进行模拟也遭失败。 后来他们借助Kroto送给 Smalley小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含 有12个五边形与20个六边形）后，向数学家Veech （同属Rice University）请教C60能是一种什么样的 结构。Veech的答复是：“和足球的结构相同”。于 是C60的结构就被确定了下来。 C60的发现历程（三） ——物性、谱学的研究 STM（扫描隧道显微镜）测试 图5 扫描隧道显微镜原理示意图图4 扫描隧道显微镜 图6 C60的STM原子分辨图 C60的发现历程（四） ——制备方法的改进 1991年8月在美国费城举行了“C60及其衍生物研究”的学 术报告会，同年10月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。 两场报告会都是座无虚席，情景空前热烈。 图7 电弧法制备C60的装置 但是改进后的方法产量还是小， 从1000克石墨只能得到3克C60。 由于制备上的困难，C60价格非常 昂贵，比如粗制煤烟20$/g，富含C60 的煤烟80$/g，含多种球碳的煤烟500 $/g。提纯后C60-C70混合物的价格是 1200$/g，几乎为当年黄金价格的100 倍。 C60应用举例 一、C60在超导体中的应用 图1 M+处于C60的fcc晶格间隙 K3C60 Rb3C60 Cs3C60 Tc/K 18～19 30 33（-240℃） 表1 几种碱金属掺杂C60的超导性质 1、掺杂C60的超导体 2、C60的多聚物 图2 C60的二聚物C116 有人曾经预测过，当C原子数达到540时，就可获 得室温超导。 二、C60F60 C60打开30个双键与氟发生加成反应生成C60F60，这 是一种白色的粉末，耐高温（约700℃），可以用作超 级固体润滑剂。因此，C60F60被称为“分子滚珠”。 三、C60的耐压性 在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其 次是石墨，C60最小。美国康奈尔大学的研究工作表明 ：在中等压力下情况却完全不同，C60的耐压程度要远 远超过金刚石。 C60具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑 开关。 四、C60F60的非线性光学性质 可以合成顶端含C60的星型聚乙烯大分子，用作为 多电子存储系统。 五、用作多电子存储系统 将金属锂植入C60内部形成的LiC60化合物，可作为 高能锂电池。 六、LiC60 七、用于制作"巴基管"――碳纳米的材料 碳纳米管简介 C60、C70只是福勒烯家族 中的一员，除此之外，还有 多种形式的碳单质相继被科 学家所发现， 比如：碳纳米 管、碳纳米颗粒、“巴基洋 葱头”。碳纳米管可以看成 用石墨层卷曲形成的管状结 构，第一个碳纳米管由日本 NEC公司的S.Lijima所发现。 图1 碳纳米管 碳纳米管由于其磁学、电学性能的改变，其应用领域变宽，比如用作 催化剂或其载体、纳米导线、复合材料、纤维与药物等。 碳纳米管一个令人激动的应用领域就是替代半导体硅制备碳基电子器 件。传统的硅半导体存在发热问题，由于碳纳米管的电子物理性质来源于 几何结构(直径小于0.1nm即发现有量子效应)而不是来自掺杂，故其热稳 定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。碳纳米管器件还可望代替CRT阴 极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。 　　Richard E.Smalley曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画”（又称为 “分子焊接”）：碳纳米管相当于画笔的笔杆；连在碳纳米管上的催化分 子好像是画笔的鬃毛；而画布就是需要在其上构造分子层次结构的表面； 那么溶液中漂浮着的反应物分子构成就是“绘画”了，碳纳米管末端的催 化分子和反应物分子依画笔“数字”而发生变化。使用碳纳米管作分子 “焊接”将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯片。 碳纳米管应用