工科化学13章25 27.ppt

尚辅网 尚辅网 尚辅网 ——碳　和富勒烯 (Fullerene)　有三种同素异形体 　　?石墨 (graphite)　六方层状结构。C以sp2杂化轨道与其它碳原子结合成六方型平面结构，另一个未参与杂化的p轨道相互平行，形成离域大π键：层与层之间以范德华力结合 　　?金刚石　具有立方对称结构的原子晶体 　　?富勒烯 　碳的第三种同素异形体。60个碳原子围成足球式结构。碳原子占据60个顶点，构成12个五元环面和20个六元环面，在C60中，每个碳原子和周围三个碳原子相联形成3个σ键，剩余的轨道和电子共同形成大π键 尚辅网 补充材料——富勒烯 ●概况 ——富勒烯(fullerene) 由60个碳原子组成的C60，70个碳原子组成的C70 ，50个碳原子组成的C50等一类物质的总称，是除石墨、金刚石以外的另一种碳的同素异形体 ——发现史及命名 1985年，美国Kroto等人在实验中发现C60原子簇，认为它具有笼形结构，由12个五元环和20个六元环组成的球形32面体，具有很高的对称性。很像美国著名设计师R. B. Fuller所设计的蒙特利尔世界博览会网格球体主建筑，而命名为fullerene。由于其形似足球，亦称足球烯，足球分子，分子足球。 Kroto于1996年获诺贝尔化学奖。其中研究最多的是C60 尚辅网 ●C60的结构 ——C60是由12个五元环和20个六元环组成的球形32面体，直径约0.7nm，60个顶点为60个碳占据。每个碳原子以sp2或近似sp2杂化轨道与相邻碳原子形成3个?键，不在同一个平面。剩下的一个p轨道或近似p轨道构成离域大?键，具有芳香性 ——C60碳键长不完全相同：五边形和六边形共用边键长0.146nm，两个六边形共用边键长0.149nm。键角为116°。分子中12个五边形最大程度地被20个六边形所分隔，是已知最对称分子之一 尚辅网 ●C60的性质 密度1.7g·cm-1，比石墨和金刚石轻；不溶于水，在已烷、苯等非极性溶剂有一定溶解度；可进行多种反应：加氢、氧化、亲电加成、亲核加成、自由基反应、与金属反应 ●C60的制备　以石墨为原料，在约1.3×104Pa的氦气氛下，用石墨电极进行接触电弧蒸发法制备，经分离可得 ●C60的应用 ——C60自发现和常量合成至今，仅很短时间，研究尚处于初级阶段，但涉及面很广。研究表明，它在许多领域将发挥巨大作用 ——C60是纳米级材料，可用作记忆元件，超级耐高温润滑剂，可制造高能蓄电池、燃料、太空火箭推进剂 ——由于C60结构的特殊性，表现出很强的非线性光学性质，在光学计算机和光纤通讯中有特殊价值 尚辅网 —— C60与某些磷脂的复合物能与某些癌细胞结合，从而为摧毁和杀灭癌细胞提供了条件 ——纯的C60是绝缘体，但钾嵌入的C60具有超导性质 ——富勒烯的出现，为化学、物理学、电子学、天文学、材料科学、生命科学和医学等学科开辟了崭新的研究领域，其意义非常重大。随着研究的深入，富勒烯及其衍生物的应用潜力将不断被开发 笼内嵌有金属原子的Ｃ60 分子 尚辅网 ●硼（自学） 在非金属单质中硼具有最复杂的结构，在单质硼的晶体中，存在一个由12个硼原子构成的正20面体基本结构单元，12个硼原子位于20面体的12个顶点。由于20面体的连接方式不同、化学键不同，可以形成各种晶体类型，但都属于原子晶体 尚辅网 二、非金属单质的物理性质　由其晶体结构决定（自学） ——原子晶体的单质　(碳、硅、硼)，密度、硬度、熔点、沸点都较高 ——分子晶体的单质　(卤素、稀有气体和O2、N2)，密度、硬度、熔点和沸点都较低 ——过渡型晶体结构的单质，物理性质变化较大，密度、硬度、熔点和沸点介于分子晶体于原子晶体之间 尚辅网 三、非金属单质的化学性质 ●概况　主要为氧化还原性：既可做氧化剂，也可做还原剂 （一）与氧(空气)的反应 ——卤素　不能直接与氧化合 ——磷　白磷可自燃成P2O5，红磷加热与氧生成P2O5 ——B、C、S　加热，与氧反应生成相应的氧化物：B2O3、CO、CO2、SO2；常温下都是自发的放热反应 ——氮　化学隋性；与氧在常温下是吸热反应，不自发；3000K以上，自发：雷电、电弧和汽车引擎可引起空气中的氮氧反应 N2 (g) + O2 (g) ===== 2NO （g） ? ?rHm=180.74 kJ?mol-1; ? rSm=0.0248kJ?mol-1?K-1 尚辅网 （二）与水的反应 ——卤素　常温下即能与水反应 X2 + H2O ===== 2H+ + 2X- + 1/2O2 (1) X2 + H2O ===== H+ + X- + HXO (2) F2只发生(1)式，其它卤素