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探索同素異形體的神秘世界


探索同素異形體的神秘世界
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同素異形體是什么？
同素異形體是指由相同的單一化學(xué)元素組成的單一物質(zhì)，由于排列方法不
同，性質(zhì)也不同。什么是同素異形體？看小邊的安排！

碳
碳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(zhì)是由不同的微觀結(jié)構(gòu)決定的。

（1）金剛石

金剛石呈正四面體空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，碳原子之間形成共價(jià)鍵。切割或熔
化時(shí)，需要克服碳原子之間的共價(jià)鍵。金剛石是自然界已知物質(zhì)中硬度最
高的材料，熔點(diǎn)較高。金剛石廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、光學(xué)、傳熱、軍事、
航空航天、醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。

（2）石墨

石墨是一種層狀結(jié)構(gòu)，層中的碳原子排列成平面六邊形。每個(gè)碳原子與其
他碳原子結(jié)合三個(gè)共價(jià)鍵。同一層中的離域電子可以在整個(gè)層中移動(dòng)，層
之間的碳原子結(jié)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(shù)小，導(dǎo)熱性好，導(dǎo)電性好
，摩擦系數(shù)小。石墨被廣泛用作電極、榛子、刷子、潤滑劑、鉛筆等。

（3）富勒烯

富勒烯（Fullerene) 它是發(fā)現(xiàn)單質(zhì)碳的第三種同素異形體。任何由碳組成
的物質(zhì)，如球形、橢圓形或管狀結(jié)構(gòu)，都可以稱為富勒烯，富勒烯是指一
種物質(zhì)。最初的研究表明，富勒烯化合物具有抗艾滋病毒、抑制酶活性和
切割DNA的作用。、在光動(dòng)力學(xué)治療等方面具有獨(dú)特的功效。

(4)碳納米管

作為一維納米材料，碳納米管重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，機(jī)械、電氣
和化學(xué)性能異常。近年來，隨著碳納米管和納米材料的深入研究，其廣闊
的應(yīng)用前景不斷顯現(xiàn)。

（5）石墨烯

石墨烯（Graphene）由碳原子組成的二維晶體只有一層原子厚度。

目前，石墨烯最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微晶體管來生產(chǎn)
未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。如果用石墨烯代替硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度會(huì)快
幾百倍。

石墨烯幾乎完全透明，只吸收2.3%的光線。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(chǎn)
品的原材料，如透明觸摸屏、發(fā)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(jié)構(gòu)材料。
它具有豐富的碳化學(xué)鍵、較大的共炔系統(tǒng)、較寬的表面間距和優(yōu)異的化學(xué)
穩(wěn)定性。它被認(rèn)為是合成二炔碳最穩(wěn)定的同素異形體。石墨炔有望廣泛應(yīng)
用于電子、半導(dǎo)體和新能源領(lǐng)域，因?yàn)槠涮厥獾碾娮咏Y(jié)構(gòu)和類似硅的優(yōu)異
半導(dǎo)體性能。

氧
氧氣同素異形體有氧，臭氧，四聚氧，八聚氧。

（1）氧氣

氧，化學(xué)O2，32.00，是一種無色無味的氣體，也是氧氣最常見的單質(zhì)形
式。熔點(diǎn)為218.4℃，沸點(diǎn)為-183℃。液體氧氣為天藍(lán)色，固體氧氣為藍(lán)
色晶體。并且不易溶于水，1L水可溶于約30毫升氧氣。氧氣約占空氣的
21% 。室溫不是很活潑，很多物質(zhì)都不容易工作。但是在高溫下，它非
�；顫姡梢灾苯优c各種元素結(jié)合，這與氧原子的電負(fù)僅次于氟有關(guān)。

（2）臭氧

臭氧（O₃）又稱超氧，是氧氣（O₂）同素異形體。常溫下是一種淡藍(lán)色
氣體，氣味特殊。臭氧主要存在于離地球表面20~35公里的同溫層下的臭
氧層中。在常溫常壓下，穩(wěn)定性差，可以自行分解成氧氣。臭氧有草的味
道，吸入少量對(duì)人體有益，過量吸入對(duì)人體健康有害(不易燃、純凈)。氧
氣可以通過電擊變成臭氧。

(3)四聚氧(又稱臭氧)

從兩種中性分子O4來看，O4的預(yù)期結(jié)構(gòu)是正四面體或矩形。、正一價(jià)格
分子O4+和負(fù)一價(jià)格分子O4-基態(tài)電子結(jié)構(gòu)根據(jù)最低能量原則確定各自的
結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得O4分子2結(jié)構(gòu)的基態(tài)總能量、一價(jià)格電離能和電子親
和力。與氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的計(jì)算結(jié)果相比，O4分子
可以以正方形結(jié)構(gòu)或正四面體結(jié)構(gòu)的形式存在，其中正方形結(jié)構(gòu)更有可能
是O4分子的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)。

四聚氧氧氧化性極強(qiáng)，在單質(zhì)中氧化性最強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氟、二氟化氪、各
種氟化氧等已知的超氧化劑。它可以直接反應(yīng)大多數(shù)物質(zhì)甚至一些稀有氣
體。最近甚至使用了O4和氬（Ar）一氧化氬是一種非常不穩(wěn)定的直接化合
物。（ArO）。

(4)八聚氧(又名ε氧/紅氧）

四聚氧的分子式為O₄，正常大氣壓力形成54.36K(-218.79)°C）接下來。固
體氧是一種淺藍(lán)透明的物質(zhì)，因?yàn)樗褚后w氧一樣吸收紅光。氧分子在分
子磁化中磁化。（molecular magnetization）它與晶體結(jié)構(gòu)、電子布局和超
導(dǎo)電性的關(guān)系引起了人們的關(guān)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(shù)分子能承受磁矩)。它被認(rèn)為是“自旋控制”（spin-controlled
）“晶體，因此表現(xiàn)出不尋常的磁性規(guī)律。在極高的壓力下，固體氧從熱絕
緣材料變成金屬；在極低的溫度下，它甚至可以成為超導(dǎo)體。固體氧氣的結(jié)
構(gòu)研究始于20世紀(jì)20年代，六種不同的晶體相已經(jīng)確定。



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