高中化学 3.2.1《分子晶体》素材 新人教版选修3.docVIP

碳60 C60的结构与足球相似 　　近年来，科学家们发现，除金刚石、石墨外，还有一些新的以单质形式存在的碳。其中发现较早并已在研究中取得重要进展的是C60分子。 C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。 　　C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量为720。 　　处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。 　　足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱(Kroto,H.W.)和史沫莱(Smalley,R.E.)等人于1985年提出的。他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱、X射线分析等实验所证明。此外，还有C70等许多类似C60的分子也已被相继发现。 　　我国北京大学化学系和物理系研究小组也研制出C60分子。目前，人们对C60分子的结构和反应的认识正在不断深入，它应用于材料科学、超导体等方面的研究正在进行中。C60是80年代中期新发现的一种碳原子簇，它是单质，是石墨、金刚石的同素异形体。很久以前在宇宙光谱中就发现过它，直到1985年人们才用激光的方法合成并分离得到较纯的C60（含C70），它有确定的组成，60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个六边形，12个五边形。由于这个结构的提出是受到建筑学家富勒（Buckminster Fuller）的启发。富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构。因此科学家把C60叫做足球烯，也叫做富勒烯，为什么叫烯呢？因为32面体的每个顶点上的碳原子跟三个其它的碳原子相邻。如同苯环上每个碳原子都是SP2杂化。P轨道在环的上、下形成π键一样，足球烯每个顶角上的碳原子也都满足SP2杂化的要求，（类似萘环上两个不带氢原子的碳原子）剩余的P轨道在C60分子的外围和内腔形成π键。也可以想象C60分子的封闭壳上犹如“贴了”20个苯环一样。科学家们预言它具有芳香性；丰富的π电子可以形成配合物；有特殊的物理、光谱性质等等。这样一来就吸引了许多人研究它。从合成方法的改进到各种性质的测试，从量子化学的计算到合成各种包含物、配合物。有些新的碳簇配合物又具有特殊的超导材料性能。为寻求它们的应用价值，人们还在不断努力。这样就使C60大大时髦了一阵，成为近两年来物理和化学界的研究热门话题。 　　科学家的研究思路也是从已知推向未知的探索，因为它是石墨、金刚石的同素异形体，因此有人就联想到用廉价的石墨作原料合成C60，也有人想到它含有苯环单元的结构，是不是可以选用苯作原料合成C60。这些设想他们都成功了，1000g苯可以制得3gC70和C60的混合物（它们的比率0.26～5.7）。有人像计算苯一样地计算碳簇分子的共振能、π电子总能、自由价等等。 　　(1)C60的发现 　　1985年，英国科学家克罗托(H.W.Kroto)等用质谱仪，严格控制实验条件，得到以C60为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯特·富勒(Buckminster Fuller)设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托等提出C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻的3个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成键。除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等，统称为Fullerene。 　　(2)C60的超导性 　　1991年，赫巴德(Hebard)等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18 K，打破了有机超导体(Et)2Cu[N(CN)2]Cl超导起始温度为12.8 K的纪录。不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29 K。表6-1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60超导体，超导起始温度分别为8 K和28 K。有科学工作者预言，如果掺杂C240和掺杂C540，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。 　　(3)C60的命名