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文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2024-07-02 10:29:48【 】

碳的异形世界

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什么是同素异形体
同素异形体是指由相同的单一化学元素组成,由于排列方式不同,具有不同性质的单一物质。

具体的同素异形体是什么?看看小边的安排吧!



碳的同素异形体包括金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔;它们的不同性质

是由不同的微观结构决定的。


(1)金刚石


金刚石呈正四面体空间网状立体结构,碳原子之间形成共价键。切割或熔化时,需要克服碳

原子之间的共价键。金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料,熔点高。金刚石广泛应用

于机械、电子、光学、传热、军事、航空航天、医学和化学领域。


(2)石墨


石墨为层状结构,层内碳原子排列为平面六边形,每个碳原子与其他碳原子结合三个共价键,

同一层中的离域电子可在整个层中移动,层间碳原子结合分子间力(范德华力)。石墨是一

种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温,热膨胀系数小,导热性好,导电

性好,摩擦系数小。石墨被广泛用作电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。


(3)富勒烯


富勒烯(fullerene) 它是发现单质碳的第三种同素异形体。任何由碳组成的物质,如球形、椭

圆形或管状结构,都可以称为富勒烯,富勒烯是指一种物质。初步研究表明,富勒烯化合物是

抗艾滋病毒的、酶活性抑制,切割dna、光动力学治疗等方面具有独特的功效。


(4)碳纳米管


碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的机械、电学和化

学性能。近年来,随着碳纳米管和纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景不断显现。


(5)石墨烯


石墨烯(graphene)二维晶体由碳原子组成,只有一层原子厚度。。。


目前,石墨烯最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微晶体管来生产未来的超级计算机。

用石墨烯代替硅,计算机处理器的运行速度将快几百倍。


石墨烯几乎完全透明,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体原子(氢

原子)也无法穿透。这些特性使其非常适合透明电子产品的原材料,如透明触摸屏、发光板和

太阳能电池板。


(6)石墨炔


石墨炔是继富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后的一种新型全碳纳米结构材料。它具有丰富的碳化

学键、大的共轭体系、宽的表面间距和优异的化学稳定性。它被认为是合成二炔碳最稳定的同

素异形体。由于其特殊的电子结构和类似硅的优异半导体性能,石墨炔有望广泛应用于电子、

半导体和新能源领域。



氧的同素异形体有氧、臭氧、四聚氧、八聚氧。


(1)氧气


氧气,化学o2,32.00,是一种无色无味的气体,也是氧最常见的单质形式。熔点为218.4℃,

沸点为-183℃。液氧为天蓝色,固氧为蓝色晶体。而且不易溶于水,1l水可溶于约30毫升氧气。

在空气中,氧气约占21% 。室温不是很活泼,很多物质都不容易工作。但在高温下,它非常活

泼,可以直接与各种元素结合,这与氧原子的电负性仅次于氟有关。


(2)臭氧


臭氧(o?)又称超氧,是氧气(o?)同素异形体。在常温下,它是一种有特殊气味的浅蓝色气体。

臭氧主要存在于同温层下部的臭氧层中,距离地球表面20~35公里。在常温常压下,稳定性差,可

自行分解为氧气。臭氧有草的味道,吸入少量对人体有益,过量吸入对人体健康有害(不可燃、纯

净)。氧气可以通过电击变成臭氧。


(3)四聚氧(又称臭氧)


o4的预期结构为正四面体或矩形,从两种中性分子o4、正一价分子o4 和负一价分子o4-基态电子

结构,根据最低能量原则确定各自的结构参数,获得o4分子2结构的基态总能量、一价电离能和电

子亲和势能。与氧原子、普通氧分子o2和臭氧分子o3的计算结果相比,o4分子可以以正方形结构

或正四面体结构的形式存在,其中正方形结构更有可能是o4分子的真实空间结构。


四聚氧具有极其强烈的氧化性,其氧化性在单质中最强,远远超过已知的超氧化剂,如氟、二氟化

氪和各种氟化氧。它可以直接与绝大多数物质甚至一些稀有气体发生反应。最近甚至使用了o4和氩

(ar)直接化合制成了极不稳定的一氧化氩(aro)。


(4)八聚氧(又名ε氧/红氧)


四聚氧的分子式是o?,54.36k(-218.79)形成于正常大气压°c)下面。固体氧气是一种浅蓝色透明物质,

因为它吸收红光,就像液氧一样。氧分子在分子磁化中磁化(molecular magnetization)与晶体结构、

电子布置和超导电性的关系引起了人们的关注。氧分子是唯一能承受磁矩的简单双原子分子(通常只

有少数分子能承受磁矩)。它被认为是“自旋控制”(spin-controlled)“晶体,因此表现出不寻常的磁性

规律。在极高压下,固氧从热绝缘材料变成金属;在极低温下,它甚至可以变成超导体。固氧的结构

研究始于20世纪20年代,目前已经确定了六种不同的晶体相。



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