解放军文职招聘考试碳

 碳
一、单质
单质碳有三种，它们是 金刚石、石墨、 C ₆₀ 。它们是碳的三种同素异形体。
1 、金刚石
金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻画法规定，以金刚石的硬度为 10 来度量其它物质的硬度。例如 Cr 的硬度为 9 、 Fe 为 4.5 、 Pb 为 1.5 、钠为 0.4 等。在所有单质中，它的熔点最高，达 3823K 。
金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以 sp 杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。
由于金刚石晶体中 C ─ C 键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度达，熔点高，而且不导电。
室温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到 1100K 左右时能燃烧成 CO 2 。
金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。
2 、石墨
石墨乌黑柔软，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低 50K ，为 3773K 。
在石墨晶体中，碳原子以 sp² 杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加 sp² 杂化的 p 轨道，其中有一个未成对的 p 电子，同一层中这种碳原子中的 m 电子形成一个 m 中心 m 电子的大 π 键 ( ∏ _m ^m 键 ) 。这些离域电子可以在整个儿碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向的良好导电导热性质。
石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开。石墨质软具有润滑性。
由于石墨层中有自由的电子存在，石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。许多分子和离子能渗入石墨层间形成插入化合物或称为层状化合物。例如用过量钾处理石墨，石墨片层和∏电子体系不变，由于 K 的插入得到电子， K → K + + e - ，使片层带负电荷，得到铜色、顺磁性的 C 8 K 。它很活泼，在空气中能燃烧。加热则分解为蓝色的 C 24 K ， C 36 K ， C 48 K 和 C 60 K 。 C 24 K 是还原烯烃和炔烃的催化剂。
由于石墨能导电，有具有化学惰性，耐高温，易于成型和机械加工，所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。
3 、碳六十 (C 60 )
20 世纪 80 年代中期，人们发现了碳元素的第三种同素异形体── C₆₀ 。
1996 年 10 月 7 日，瑞典皇家科学院决定把 1996 年诺贝尔化学奖授予 Robert FCurl ， Jr( 美国 ) 、 Harold WKroto( 英国 ) 和 Richard ESmalley( 美国 ) ，以表彰他们发现 C₆₀ 。
1995 年 9 月初，在美国得克萨斯州 Rice 大学的 Smalley 实验室里， Kroto 等为了模拟 N 型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程，进行了石墨的激光气化实验。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子，其中有一个比其它峰强度大 20~25
倍的峰，此峰的质量数对应于由 60 个碳原子所形成的分子。
在 C₆₀ 分子中，每个碳原子以 sp² 杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，剩余的未参加杂化的一个 p 轨道在 C₆₀ 球壳的外围和内腔形成球面大∏键，从而具有芳香性。为了纪念 Fuller ，他们提出用 Buckminsterfullerene 来命名 C₀ ，后来又将包括 C ₆₀ 在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为 Fuller ，中译名为富勒烯。
② 制备
用纯石墨作电极，在氦气氛中放电，电弧中产生的烟炱沉积在水冷反应器的内壁上，这种烟炱中存在着 C ₆₀ 、 C ₇₀ 等碳原子簇的混合物。
用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯，将烟炱放入索氏 (Soxhlet) 提取器中，用甲苯或苯提取，提取液中的主要成分是 C ₆₀ 和 C ₇₀ ，以及少量 C ₈₄ 和 C 78 。再用液相色谱分离法对提取液进行分离，就能得到纯净的 C ₆₀ 溶液。 C 60 溶液是紫红色的，蒸发掉溶剂就能得到深红色的 C ₆₀ 微晶。