实例:FDS8878_NL化学成键与材料性质

   金刚石、石墨和富勒烯根据以上碳原子成键情况,让我们来分析一下自然界中纯粹由碳原子构F成的金刚石rdiamond)、石墨佗raphite)和富勒烯(fullerene)的成键情况。在非常珍贵、坚硬无比的金刚石中,碳原子以sp3杂化轨道形式存在。如图2.5⑴,金刚石中所有碳原子在正四面体的sp3轨道上向空间扩展,形成大分子。图

2,5(b)是石墨的结构,层状石墨是由sp2杂化的碳原子组成,在每一层内,碳原子按照共平面的sp2轨道向空间扩展,使相邻碳原子之间形成σ键;而未经杂化的、垂直于平面的孔z轨道相互重叠形成冗键。在层与层之间,由于规整的排列以及较近的距离,存在较强的胎冗相互作用。图2,5(c)是富勒烯的结构,球状的富勒烯也是由sp2杂化碳原子组成,存在π键。与石墨中不同的是,在富勒烯中,由于形成曲面的要求,sp2轨道不再共平面,而是 有一定的弯曲。

   显而易见,碳的这三种同素异形体虽然都是由碳元素组成,但是原子间成键方式的不同,导致分子中原子在空间的取向和堆积不同,也导致了不同的材料形状和性质。呈立方晶系的金刚石坚硬无比、非常稳定,是绝缘体;层状石墨和球状富勒烯由于存在sp2轨道可形成共轭,因此有导电性。与富勒烯相比,石墨由于有较好的共平面且原子排列比较整齐,导电性能较好;而富勒烯,由于sp2轨道的弯曲变形,不但导电性低于石墨,稳定性也比石墨低。