高中人教版化学选修2课件：第三单元 第一节（2） 新型无机非金属材料

高中人教版化学选修2课件：第三单元 第一节（2） 新型无机非金属材料

新型无机非金属材料 C 60 一颗璀璨的 “ 明星分子 ” 碳的三种同分异型体的比较 金刚石 石墨 C 60 结构和性质 金刚石 石墨 C 60 C 原子的成键形式 四面体 平面三角形 球面形 （直径 710pm ） C 原子的杂化轨道 sp 3 sp 2 sp 2.26 (σ 键 s 0.3 p 0.7 ) C － C － C 键角 109°28 ＇　 120° 116° C － C 键长 /pm 154.4 141.8 139.1(6/6) 145.5(6/5) 密度 /g.cm -3 3.514 2.266 1.678 电阻 /Ω.cm 1014 ～ 1016 (0.4-5.0)×10 -4 (∥ 层 ) (0.2-1.0)(⊥ 层 ) 硬度 /Mohs 10 <1 碳的三种同分异型体的比较 “ 明星分子 ” 的发现 Robert F.Curl 教授 （ Rice University ） Harold W. Kroto 教授 （ University of Sussex ） Richard E. Smalley 教授 （ Rice University ） C 60 的发现历程（一） —— 意外的发现 （ 1 ） Harold W. Kroto 的研究领域是星际分子问题 ； （ 2 ） Richard E. Smalley 研究的是各种元素原子簇的性质； Smalley 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周期表内几乎所有元素的原子束的研究。 图 2 质谱仪工作原理 图 3 实验中得到的质谱图 C 60 的发现历程（二） —— 结构的鉴定 Smalley 和他的夫人（也是一位科学家）最初使用牙签搭建 C 60 的模型，可惜没有成功；接着用计算机进行模拟也遭失败。 后来他们借助 Kroto 送给 Smalley 小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含有 12 个五边形与 20 个六边形）后，向数学家 Veech （同属 Rice University ）请教 C 60 能是一种什么样的结构。 Veech 的答复是：“和足球的结构相同”。于是 C 60 的结构就被确定了下来。 C 60 的发现历程（三） —— 物性、谱学的研究 STM （扫描隧道显微镜）测试 图 5 扫描隧道显微镜原理示意图 图 4 扫描隧道显微镜 图 6 C 60 的 STM 原子分辨图 C 60 的发现历程（四） —— 制备方法的改进 1991 年 8 月在美国费城举行了“ C 60 及其衍生物研究”的学术报告会，同年 10 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。 图 7 电弧法制备 C60 的装置 但是改进后的方法产量还是小，从 1000 克石墨只能得到 3 克 C 60 。 由于制备上的困难， C 60 价格非常昂贵，比如粗制煤烟 20$/g ，富含 C 60 的煤烟 80$/g ，含多种球碳的煤烟 500 $/g 。提纯后 C 60 -C 70 混合物的价格是 1200$/g ，几乎为当年黄金价格的 100 倍。 C 60 应用举例 一、 C 60 在超导体中的应用 图 1 M + 处于 C 60 的 fcc 晶格间隙 K 3 C 60 Rb 3 C 60 Cs 3 C 60 Tc/K 18 ～ 19 30 33 （ -240℃ ） 表 1 几种碱金属掺杂 C 60 的超导性质 1 、掺杂 C 60 的超导体 2 、 C 60 的多聚物 图 2 C 60 的二聚物 C 116 有人曾经预测过，当 C 原子数达到 540 时，就可获得室温超导。 二、 C 60 F 60 C 60 打开 30 个双键与氟发生加成反应生成 C 60 F 60 ，这是一种白色的粉末，耐高温（约 700℃ ），可以用作超级固体润滑剂。因此， C 60 F 60 被称为“分子滚珠”。 三、 C 60 的耐压性 在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其次是石墨， C 60 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， C 60 的耐压程度要远远超过金刚石。 C 60 具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑开关。 四、 C 60 F 60 的非线性光学性质 可以合成顶端含 C 60 的星型聚乙烯大分子，用作为多电子存储系统。 五、用作多电子存储系统 将金属锂植入 C 60 内部形成的 LiC 60 化合物，可作为高能锂电池 。 六、 LiC 60 七、用于制作 " 巴基管 "―― 碳纳米的材料 碳纳米管简介 C 60 、 C 70 只是福勒烯家族中的一员，除此之外，还有多种形式的碳单质相继被科学家所发现， 比如：碳纳米管、碳纳米颗粒、“巴基洋葱头”。碳纳米管可以看成用石墨层卷曲形成的管状结构，第一个碳纳米管由日本 NEC 公司的 S.Lijima 所发现。 图 1 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。 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，由于碳纳米管的电子物理性质来源于几何结构 ( 直径小于 0.1nm 即发现有量子效应 ) 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 CRT 阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。 　　 Richard E.Smalley 曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画”（又称为“分子焊接”）：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“绘画”了，碳纳米管末端的催化分子和反应物分子依画笔“数字”而发生变化。使用碳纳米管作分子“焊接”将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯片。 碳纳米管应用