化学与社会(第二讲).ppt

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1、化学与社会化学与社会第二讲第二讲 C C6060一颗璀璨的一颗璀璨的“明星分子明星分子”碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较金刚石金刚石石墨石墨C60结构和性质结构和性质金刚石金刚石石墨石墨C C6060C原子的成键形式原子的成键形式 四面体四面体平面三角形平面三角形球面形球面形（直径（直径710pm）C原子的杂化轨道原子的杂化轨道sp3sp2sp2.26(键键s0.3 p0.7)CCC键角键角10928120116CC键长键长/pm154.4141.8139.1(6/6)145.5(6/5)密度密度/g.cm-33.5142.2661.678电阻电阻/.cm10141016(0.

2、4-5.0)10-4(层层)(0.2-1.0)(层层) 硬度硬度/Mohs101碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较“明星分子明星分子”的发现的发现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的发现历程（一）的发现历程（一）意外的发现意外的发现（1 1）Harold W. KrotoHarold W. Kroto的研究领域是星际分子问的研究领域是星际分子问题题 ；（2 2）Ric

3、hard E. SmalleyRichard E. Smalley研究的是各种元素原子研究的是各种元素原子簇的性质；簇的性质；SmalleySmalley发明了一台很好的仪器，叫激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。周期表内几乎所有元素的原子束的研究。 图图1 1 激光超声波原子束射线测试仪激光超声波原子束射线测试仪 图图2 质谱仪工作原理质谱仪工作原理 图图3 实验中得到的质谱图实验中得到的质谱图C C6060的发现历程（二）的发现历程（二）结构的鉴定结构的鉴定 Smalley

4、Smalley和他的夫人（也是一位科学家）最初使和他的夫人（也是一位科学家）最初使用牙签搭建用牙签搭建C C6060的模型，可惜没有成功；接着用计算的模型，可惜没有成功；接着用计算机进行模拟也遭失败。机进行模拟也遭失败。 后来他们借助后来他们借助KrotoKroto送给送给SmalleySmalley小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含有有1212个五边形与个五边形与2020个六边形）后，向数学家个六边形）后，向数学家VeechVeech（同属（同属Rice UniversityRice University）请教）请教C C6060能是一种什么样的能是

5、一种什么样的结构。结构。VeechVeech的答复是：的答复是：“和足球的结构相同和足球的结构相同”。于。于是是C C6060的结构就被确定了下来。的结构就被确定了下来。 C C6060的发现历程（三）的发现历程（三）物性、谱学的研究物性、谱学的研究STMSTM（扫描隧道显微镜）测试（扫描隧道显微镜）测试图图5 5 扫描隧道显微镜原理示意图扫描隧道显微镜原理示意图图图4 4 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜图图6 C6 C6060的的STMSTM原子分辨图原子分辨图C C6060的发现历程（四）的发现历程（四）制备方法的改进制备方法的改进 1991 1991年年8 8月在美国费城举行了月在美国费城

6、举行了“C C6060及其衍生物研究及其衍生物研究”的学的学术报告会，同年术报告会，同年1010月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。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。两场报告会都是座无虚席，情景空前热烈。图图7 7 电弧法制备电弧法制备C60C60的装置的装置 但是改进后的方法产量还是小，但是改进后的方法产量还是小，从从10001000克石墨只能得到克石墨只能得到3 3克克C C6060。 由于制备上的困难，由于制备上的困难，C C6060价格非常价格非常昂贵，比如粗制煤烟昂贵，比如粗制煤烟20$/g20$/g，富含，富含C C6060的煤烟的煤烟

7、80$/g80$/g，含多种球碳的煤烟，含多种球碳的煤烟500500$/g$/g。提纯后。提纯后C C6060-C-C7070混合物的价格是混合物的价格是1200$/g1200$/g，几乎为当年黄金价格的，几乎为当年黄金价格的100100倍。倍。 C C6060应用举例应用举例一、一、C C6060在超导体中的应用在超导体中的应用图图1 M1 M+ +处于处于C C6060的的fccfcc晶格间隙晶格间隙 K3C60Rb3C60Cs3C60Tc/K18193033（-240）表表1 1 几种碱金属掺杂几种碱金属掺杂C C6060的超导性质的超导性质 1 1、掺杂、掺杂C C6060的超导体的超

8、导体2 2、C C6060的多聚物的多聚物图图2 C2 C6060的二聚物的二聚物C C116116 有人曾经预测过，当有人曾经预测过，当C C原子数达到原子数达到540540时，就可获时，就可获得室温超导。得室温超导。二、二、C C6060F F6060 C C6060打开打开3030个双键与氟发生加成反应生成个双键与氟发生加成反应生成C C6060F F6060，这，这是一种白色的粉末，耐高温（约是一种白色的粉末，耐高温（约700700），可以用作超），可以用作超级固体润滑剂。因此，级固体润滑剂。因此，C C6060F F6060被称为被称为“分子滚珠分子滚珠”。 三、三、C C6060的

9、耐压性的耐压性 在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其次是石墨，次是石墨，C C6060最小。美国康奈尔大学的研究工作表明最小。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，：在中等压力下情况却完全不同，C C6060的耐压程度要远的耐压程度要远远超过金刚石。远超过金刚石。 C C6060具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑开关。开关。 四、四、C C6060F F6060的非线性光学性质的非线性光学性质 可以合成顶端含可以合成顶端含C C6060的星型聚乙烯大分子，用作为的星型聚乙烯大分子，

10、用作为多电子存储系统。多电子存储系统。五、用作多电子存储系统五、用作多电子存储系统 将金属锂植入将金属锂植入C C6060内部形成的内部形成的LiCLiC6060化合物，可作为化合物，可作为高能锂电池高能锂电池。六、六、LiCLiC6060七、用于制作七、用于制作 巴基管巴基管 碳纳米的材料碳纳米的材料 碳纳米管简介碳纳米管简介 C C6060、C C7070只是福勒烯家族只是福勒烯家族中的一员，除此之外，还有中的一员，除此之外，还有多种形式的碳单质相继被科多种形式的碳单质相继被科学家所发现，学家所发现， 比如：碳纳比如：碳纳米管、碳纳米颗粒、米管、碳纳米颗粒、“巴基巴基洋葱头洋葱头”。碳纳米

11、管可以看。碳纳米管可以看成用石墨层卷曲形成的管状成用石墨层卷曲形成的管状结构，第一个碳纳米管由日结构，第一个碳纳米管由日本本NECNEC公司的公司的S.LijimaS.Lijima所发所发现。现。 图图1 1 碳纳米管碳纳米管 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。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，由于碳纳备

12、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米管的电子物理性质来源于几何结构( (直径小于直径小于0.1nm0.1nm即发现即发现有量子效应有量子效应) )而不是来自掺杂，故其热稳定性好，可制得比硅而不是来自掺杂，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芯片小百倍的器件。碳纳米管器件还可望代替CRTCRT阴极射线管，阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。Richard E.SmalleyRichard E.Smalley曾经预言可用碳纳米管作曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画数字

13、绘画”（又称为（又称为“分子焊接分子焊接”）：碳纳米管相当于画笔的笔杆；连）：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应物分子构成就是“绘画绘画”了，碳纳米管末端的催化分子和了，碳纳米管末端的催化分子和反应物分子依画笔反应物分子依画笔“数字数字”而发生变化。使用碳纳米管作分而发生变化。使用碳纳米管作分子子“焊接焊接”将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯片。奔腾芯片。碳纳米管应用碳纳米管应用