1、高中化學新人教版選修2系列課件化學與技術 3.1.2新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料C C6060一顆璀璨的一顆璀璨的“明星分子明星分子”碳的三種同分異型體的比較碳的三種同分異型體的比較金剛石金剛石石墨石墨C60結構和性質結構和性質金剛石金剛石石墨石墨C C6060C原子的成鍵形式原子的成鍵形式 四面體四面體平面三角形平面三角形球面形球面形（直徑（直徑710pm）C原子的雜化軌道原子的雜化軌道sp3sp2sp2.26(鍵鍵s0.3 p0.7)CCC鍵角鍵角10928120116CC鍵長鍵長/pm154.4141.8139.1(6/6)145.5(6/5)密度密度/g.cm-33.5142.

2、2661.678電阻電阻/.cm10141016(0.4-5.0)10-4(層層)(0.2-1.0)(層層) 硬度硬度/Mohs101碳的三種同分異型體的比較碳的三種同分異型體的比較“明星分子明星分子”的發現的發現Robert F.Curl教授教授（Rice University） Harold W. Kroto教授教授（University of Sussex） Richard E. Smalley教授教授（ Rice University） C C6060的發現歷程（一）的發現歷程（一）意外的發現意外的發現（1 1）Harold W. KrotoHarold W. Kroto的研究領域是星

3、際分子問的研究領域是星際分子問題題 ；（2 2）Richard E. SmalleyRichard E. Smalley研究的是各種元素原子研究的是各種元素原子簇的性質；簇的性質；SmalleySmalley發明了一臺很好的儀器，叫激發明了一臺很好的儀器，叫激光超聲波原子束射線測試儀，這臺測試儀可以進行光超聲波原子束射線測試儀，這臺測試儀可以進行周期表內幾乎所有元素的原子束的研究。周期表內幾乎所有元素的原子束的研究。 圖圖2 質譜儀工作原理質譜儀工作原理 圖圖3 實驗中得到的質譜圖實驗中得到的質譜圖C C6060的發現歷程（二）的發現歷程（二）結構的鑒定結構的鑒定 Smalley Smalle

4、y和他的夫人（也是一位科學家）最初使和他的夫人（也是一位科學家）最初使用牙簽搭建用牙簽搭建C C6060的模型，可惜沒有成功；接著用計算的模型，可惜沒有成功；接著用計算機進行模擬也遭失敗。機進行模擬也遭失敗。 后來他們借助后來他們借助KrotoKroto送給送給SmalleySmalley小孩的一些玩具模型搭成了一個球體（包含小孩的一些玩具模型搭成了一個球體（包含有有1212個五邊形與個五邊形與2020個六邊形）后，向數學家個六邊形）后，向數學家VeechVeech（同屬（同屬Rice UniversityRice University）請教）請教C C6060能是一種什么樣的能是一種什么樣的

5、結構。結構。VeechVeech的答復是：的答復是：“和足球的結構相同和足球的結構相同”。于。于是是C C6060的結構就被確定了下來。的結構就被確定了下來。 C C6060的發現歷程（三）的發現歷程（三）物性、譜學的研究物性、譜學的研究STMSTM（掃描隧道顯微鏡）測試（掃描隧道顯微鏡）測試圖圖5 5 掃描隧道顯微鏡原理示意圖掃描隧道顯微鏡原理示意圖圖圖4 4 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡圖圖6 C6 C6060的的STMSTM原子分辨圖原子分辨圖C C6060的發現歷程（四）的發現歷程（四）制備方法的改進制備方法的改進 1991 1991年年8 8月在美國費城舉行了月在美國費城舉行了“C

6、C6060及其衍生物研究及其衍生物研究”的學的學術報告會，同年術報告會，同年1010月在亞歷山大鳳凰城舉行了另一場報告會。月在亞歷山大鳳凰城舉行了另一場報告會。 兩場報告會都是座無虛席，情景空前熱烈。兩場報告會都是座無虛席，情景空前熱烈。圖圖7 7 電弧法制備電弧法制備C60C60的裝置的裝置 但是改進后的方法產量還是小，但是改進后的方法產量還是小，從從10001000克石墨只能得到克石墨只能得到3 3克克C C6060。 由于制備上的困難，由于制備上的困難，C C6060價格非常價格非常昂貴，比如粗制煤煙昂貴，比如粗制煤煙20$/g20$/g，富含，富含C C6060的煤煙的煤煙80$/g8

7、0$/g，含多種球碳的煤煙，含多種球碳的煤煙500500$/g$/g。提純后。提純后C C6060-C-C7070混合物的價格是混合物的價格是1200$/g1200$/g，幾乎為當年黃金價格的，幾乎為當年黃金價格的100100倍。倍。 C C6060應用舉例應用舉例一、一、C C6060在超導體中的應用在超導體中的應用圖圖1 M1 M+ +處于處于C C6060的的fccfcc晶格間隙晶格間隙 K3C60Rb3C60Cs3C60Tc/K18193033（-240）表表1 1 幾種堿金屬摻雜幾種堿金屬摻雜C C6060的超導性質的超導性質 1 1、摻雜、摻雜C C6060的超導體的超導體2 2、

8、C C6060的多聚物的多聚物圖圖2 C2 C6060的二聚物的二聚物C C116116 有人曾經預測過，當有人曾經預測過，當C C原子數達到原子數達到540540時，就可獲時，就可獲得室溫超導。得室溫超導。二、二、C C6060F F6060 C C6060打開打開3030個雙鍵與氟發生加成反應生成個雙鍵與氟發生加成反應生成C C6060F F6060，這，這是一種白色的粉末，耐高溫（約是一種白色的粉末，耐高溫（約700700），可以用作超），可以用作超級固體潤滑劑。因此，級固體潤滑劑。因此，C C6060F F6060被稱為被稱為“分子滾珠分子滾珠”。 三、三、C C6060的耐壓性的耐壓

9、性 在常壓下碳的同素異形體中金剛石的硬度大，其在常壓下碳的同素異形體中金剛石的硬度大，其次是石墨，次是石墨，C C6060最小。美國康奈爾大學的研究工作表明最小。美國康奈爾大學的研究工作表明：在中等壓力下情況卻完全不同，：在中等壓力下情況卻完全不同，C C6060的耐壓程度要遠的耐壓程度要遠遠超過金剛石。遠超過金剛石。 C C6060具有非線性光學性質，可做成新一代光學電腦具有非線性光學性質，可做成新一代光學電腦開關。開關。 四、四、C C6060F F6060的非線性光學性質的非線性光學性質 可以合成頂端含可以合成頂端含C C6060的星型聚乙烯大分子，用作為的星型聚乙烯大分子，用作為多電子

10、存儲系統。多電子存儲系統。五、用作多電子存儲系統五、用作多電子存儲系統 將金屬鋰植入將金屬鋰植入C C6060內部形成的內部形成的LiCLiC6060化合物，可作為化合物，可作為高能鋰電池高能鋰電池。六、六、LiCLiC6060七、用于制作七、用于制作 巴基管巴基管 碳納米的材料碳納米的材料 碳納米管簡介碳納米管簡介 C C6060、C C7070只是福勒烯家族只是福勒烯家族中的一員，除此之外，還有中的一員，除此之外，還有多種形式的碳單質相繼被科多種形式的碳單質相繼被科學家所發現，學家所發現， 比如：碳納比如：碳納米管、碳納米顆粒、米管、碳納米顆粒、“巴基巴基洋蔥頭洋蔥頭”。碳納米管可以看。碳

11、納米管可以看成用石墨層卷曲形成的管狀成用石墨層卷曲形成的管狀結構，第一個碳納米管由日結構，第一個碳納米管由日本本NECNEC公司的公司的S.LijimaS.Lijima所發所發現?，F。 圖圖1 1 碳納米管碳納米管 碳納米管由于其磁學、電學性能的改變，其應用碳納米管由于其磁學、電學性能的改變，其應用領域變寬，比如用作催化劑或其載體、納米導線、領域變寬，比如用作催化劑或其載體、納米導線、復合材料、纖維與藥物等。復合材料、纖維與藥物等。 碳納米管一個令人激動的應用領域就是替代半碳納米管一個令人激動的應用領域就是替代半導體硅制備碳基電子器件。傳統的硅半導體存在發導體硅制備碳基電子器件。傳統的硅半導體

12、存在發熱問題，由于碳納米管的電子物理性質來源于幾何熱問題，由于碳納米管的電子物理性質來源于幾何結構結構( (直徑小于直徑小于0.1nm0.1nm即發現有量子效應即發現有量子效應) )而不是來自而不是來自摻雜，故其熱穩定性好，可制得比硅芯片小百倍的摻雜，故其熱穩定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。碳納米管器件還可望代替器件。碳納米管器件還可望代替CRTCRT陰極射線管，解陰極射線管，解決筆記本電腦、大屏幕電視的顯示等問題。決筆記本電腦、大屏幕電視的顯示等問題。碳納米管應用碳納米管應用 Richard E.Smalley曾經預言可用碳納曾經預言可用碳納米管作米管作“數字繪畫數字繪畫”（又稱為（又稱為“分子焊分子焊接接”）：碳納米管相當于畫筆的筆桿；連在）：碳納米管相當于畫筆的筆桿；連在碳納米管上的催化分子好像是畫筆的鬃毛；碳納米管上的催化分子好像是畫筆的鬃毛；而畫布就是需要在其上構造分子層次結構的而畫布就是需要在其上