碳的異形世界

什么是同素異形體
同素異形體是指由相同的單一化學元素組成，由于排列方式不同，具有不同性質的單一物質。

具體的同素異形體是什么？看看小邊的安排吧！


碳
碳的同素異形體包括金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔；它們的不同性質

是由不同的微觀結構決定的。


（1）金剛石


金剛石呈正四面體空間網狀立體結構，碳原子之間形成共價鍵。切割或熔化時，需要克服碳

原子之間的共價鍵。金剛石是自然界已知物質中硬度最高的材料，熔點高。金剛石廣泛應用

于機械、電子、光學、傳熱、軍事、航空航天、醫學和化學領域。


（2）石墨


石墨為層狀結構，層內碳原子排列為平面六邊形，每個碳原子與其他碳原子結合三個共價鍵，

同一層中的離域電子可在整個層中移動，層間碳原子結合分子間力（范德華力）。石墨是一

種灰黑色、不透明、有金屬光澤的晶體。天然石墨耐高溫，熱膨脹系數小，導熱性好，導電

性好，摩擦系數小。石墨被廣泛用作電極、坩堝、電刷、潤滑劑、鉛筆等。


（3）富勒烯


富勒烯（Fullerene) 它是發現單質碳的第三種同素異形體。任何由碳組成的物質，如球形、橢

圓形或管狀結構，都可以稱為富勒烯，富勒烯是指一種物質。初步研究表明，富勒烯化合物是

抗艾滋病毒的、酶活性抑制，切割DNA、光動力學治療等方面具有獨特的功效。


(4)碳納米管


碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的機械、電學和化

學性能。近年來，隨著碳納米管和納米材料研究的深入，其廣闊的應用前景不斷顯現。


（5）石墨烯


石墨烯（Graphene）二維晶體由碳原子組成，只有一層原子厚度。。。


目前，石墨烯最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微晶體管來生產未來的超級計算機。

用石墨烯代替硅，計算機處理器的運行速度將快幾百倍。


石墨烯幾乎完全透明，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氫

原子）也無法穿透。這些特性使其非常適合透明電子產品的原材料，如透明觸摸屏、發光板和

太陽能電池板。


（6）石墨炔


石墨炔是繼富勒烯、碳納米管和石墨烯之后的一種新型全碳納米結構材料。它具有豐富的碳化

學鍵、大的共軛體系、寬的表面間距和優異的化學穩定性。它被認為是合成二炔碳最穩定的同

素異形體。由于其特殊的電子結構和類似硅的優異半導體性能，石墨炔有望廣泛應用于電子、

半導體和新能源領域。


氧
氧的同素異形體有氧、臭氧、四聚氧、八聚氧。


（1）氧氣


氧氣，化學O2，32.00，是一種無色無味的氣體，也是氧最常見的單質形式。熔點為218.4℃，

沸點為-183℃。液氧為天藍色，固氧為藍色晶體。而且不易溶于水，1L水可溶于約30毫升氧氣。

在空氣中，氧氣約占21% 。室溫不是很活潑，很多物質都不容易工作。但在高溫下，它非常活

潑，可以直接與各種元素結合，這與氧原子的電負性僅次于氟有關。


（2）臭氧


臭氧（O?）又稱超氧，是氧氣（O?）同素異形體。在常溫下，它是一種有特殊氣味的淺藍色氣體。

臭氧主要存在于同溫層下部的臭氧層中，距離地球表面20~35公里。在常溫常壓下，穩定性差，可

自行分解為氧氣。臭氧有草的味道，吸入少量對人體有益，過量吸入對人體健康有害（不可燃、純

凈）。氧氣可以通過電擊變成臭氧。


(3)四聚氧(又稱臭氧)


O4的預期結構為正四面體或矩形，從兩種中性分子O4、正一價分子O4+和負一價分子O4-基態電子

結構，根據最低能量原則確定各自的結構參數，獲得O4分子2結構的基態總能量、一價電離能和電

子親和勢能。與氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的計算結果相比，O4分子可以以正方形結構

或正四面體結構的形式存在，其中正方形結構更有可能是O4分子的真實空間結構。


四聚氧具有極其強烈的氧化性，其氧化性在單質中最強，遠遠超過已知的超氧化劑，如氟、二氟化

氪和各種氟化氧。它可以直接與絕大多數物質甚至一些稀有氣體發生反應。最近甚至使用了O4和氬

（Ar）直接化合制成了極不穩定的一氧化氬（ArO）。


(4)八聚氧(又名ε氧/紅氧）


四聚氧的分子式是O?，54.36K(-218.79)形成于正常大氣壓°C）下面。固體氧氣是一種淺藍色透明物質，

因為它吸收紅光，就像液氧一樣。氧分子在分子磁化中磁化（molecular magnetization）與晶體結構、

電子布置和超導電性的關系引起了人們的關注。氧分子是唯一能承受磁矩的簡單雙原子分子（通常只

有少數分子能承受磁矩）。它被認為是“自旋控制”（spin-controlled）“晶體，因此表現出不尋常的磁性

規律。在極高壓下，固氧從熱絕緣材料變成金屬；在極低溫下，它甚至可以變成超導體。固氧的結構

研究始于20世紀20年代，目前已經確定了六種不同的晶體相。