高中化學(xué) 第三單元 化學(xué)與材料的發(fā)展 3.1 無機(jī)非金屬材料 第2課時課件 新人教版選修2-新人教版高二選修2化學(xué)課件

1、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(jié)構(gòu)和性質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)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-33.5142.2661.678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

2、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(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)歷程（一）的發(fā)現(xiàn)歷程（一）意外的發(fā)現(xiàn)意外的發(fā)現(xiàn)（1 1）Harold W. KrotoHarold W. Kroto的研究領(lǐng)域是星際分子問的研究領(lǐng)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

3、究的是各種元素原子簇的性質(zhì)；簇的性質(zhì)；SmalleySmalley發(fā)明了一臺很好的儀器，叫激發(fā)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(jìn)行光超聲波原子束射線測試儀，這臺測試儀可以進(jìn)行周期表內(nèi)幾乎所有元素的原子束的研究。周期表內(nèi)幾乎所有元素的原子束的研究。 圖圖2 質(zhì)譜儀工作原理質(zhì)譜儀工作原理 圖圖3 實驗中得到的質(zhì)譜圖實驗中得到的質(zhì)譜圖C C6060的發(fā)現(xiàn)歷程（二）的發(fā)現(xiàn)歷程（二）結(jié)構(gòu)的鑒定結(jié)構(gòu)的鑒定 Smalley Smalley和他的夫人（也是一位科學(xué)家）最初使和他的夫人（也是一位科學(xué)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

4、，可惜沒有成功；接著用計算機(jī)進(jìn)行模擬也遭失敗。機(jī)進(jìn)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(shù)學(xué)家個六邊形）后，向數(shù)學(xué)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結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。VeechVeech的答復(fù)是：的答復(fù)是：“和足球的結(jié)構(gòu)相同和足球的結(jié)構(gòu)相同”。于。于是是C C6060的結(jié)構(gòu)就被確定了下來。的結(jié)構(gòu)

5、就被確定了下來。 C C6060的發(fā)現(xiàn)歷程（三）的發(fā)現(xiàn)歷程（三）物性、譜學(xué)的研究物性、譜學(xué)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(fā)現(xiàn)歷程（四）的發(fā)現(xiàn)歷程（四）制備方法的改進(jìn)制備方法的改進(jìn) 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 C6060及其衍生物研究及其衍生物研究”的學(xué)的學(xué)術(shù)報告會，同年術(shù)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

6、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(jìn)后的方法產(chǎn)量還是小，但是改進(jìn)后的方法產(chǎn)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$/g80$/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

7、1200$/g1200$/g，幾乎為當(dāng)年黃金價格的，幾乎為當(dāng)年黃金價格的100100倍。倍。 C C6060應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例一、一、C C6060在超導(dǎo)體中的應(yīng)用在超導(dǎo)體中的應(yīng)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(dǎo)性質(zhì)的超導(dǎo)性質(zhì) 1 1、摻雜、摻雜C C6060的超導(dǎo)體的超導(dǎo)體2 2、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(jīng)預(yù)測過，當(dāng)有人曾經(jīng)預(yù)測過，當(dāng)C C原子數(shù)達(dá)到

8、原子數(shù)達(dá)到540540時，就可獲時，就可獲得室溫超導(dǎo)。得室溫超導(dǎo)。二、二、C C6060F F6060 C C6060打開打開3030個雙鍵與氟發(fā)生加成反應(yīng)生成個雙鍵與氟發(fā)生加成反應(yīng)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(xué)

9、的研究工作表明最小。美國康奈爾大學(xué)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(yuǎn)的耐壓程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金剛石。遠(yuǎn)超過金剛石。 C C6060具有非線性光學(xué)性質(zhì)，可做成新一代光學(xué)電腦具有非線性光學(xué)性質(zhì)，可做成新一代光學(xué)電腦開關(guān)。開關(guān)。 四、四、C C6060F F6060的非線性光學(xué)性質(zhì)的非線性光學(xué)性質(zhì) 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，用作為多電子存儲系統(tǒng)。多電子存儲系統(tǒng)。五、用作多電子存儲系統(tǒng)五、用作多電子存儲系統(tǒng) 將金屬鋰植入將金屬鋰植入C C6060內(nèi)部形成的內(nèi)部形成的LiCLiC

10、6060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(zhì)相繼被科多種形式的碳單質(zhì)相繼被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，學(xué)家所發(fā)現(xiàn)， 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(jié)構(gòu)，第一個碳納米管由日結(jié)構(gòu)，第一個碳納米管由日本本NECNEC公司的公司的S.L

11、ijimaS.Lijima所發(fā)所發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)。 圖圖1 1 碳納米管碳納米管 碳納米管由于其磁學(xué)、電學(xué)性能的改變，其應(yīng)用碳納米管由于其磁學(xué)、電學(xué)性能的改變，其應(yīng)用領(lǐng)域變寬，比如用作催化劑或其載體、納米導(dǎo)線、領(lǐng)域變寬，比如用作催化劑或其載體、納米導(dǎo)線、復(fù)合材料、纖維與藥物等。復(fù)合材料、纖維與藥物等。 碳納米管一個令人激動的應(yīng)用領(lǐng)域就是替代半碳納米管一個令人激動的應(yīng)用領(lǐng)域就是替代半導(dǎo)體硅制備碳基電子器件。傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體存在發(fā)導(dǎo)體硅制備碳基電子器件。傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體存在發(fā)熱問題，由于碳納米管的電子物理性質(zhì)來源于幾何熱問題，由于碳納米管的電子物理性質(zhì)來源于幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (直徑小于直徑小于0.1nm0.1n

12、m即發(fā)現(xiàn)有量子效應(yīng)即發(fā)現(xiàn)有量子效應(yīng)) )而不是來自而不是來自摻雜，故其熱穩(wěn)定性好，可制得比硅芯片小百倍的摻雜，故其熱穩(wěn)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(yīng)用碳納米管應(yīng)用 Richard E.Smalley曾經(jīng)預(yù)言可用碳納曾經(jīng)預(yù)言可用碳納米管作米管作“數(shù)字繪畫數(shù)字繪畫”（又稱為（又稱為“分子焊分子焊接接”）：碳納米管相當(dāng)于畫筆的筆桿；連在）：碳納米管相當(dāng)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(gòu)造分子層次結(jié)構(gòu)的而畫布就是需要在其上構(gòu)造分子