元素

碳元素 Carbon -生物的基本骨架、多样的同素异形体

碳元素是组成生物、食物等有机化合物的基本元素。碳元素具有多个同素异形体,并且在各个领域扮演着中亚的作用。近年来,备受瞩目的纳米材料,碳纳米管,富勒烯等都是碳的同素异形体。

 

碳的基本物理性质

分类 非金属
原子序号・原子量 (12.0107)
电子配置 2s22p2
密度 3513kg/m3 (钻石)
熔点 3550℃
沸点 4800℃(钻石)
硬度 0.5 (石墨)、10.0 (钻石)
色・形状 黒(石墨)、无色(钻石)、固体
存在度 地球 480ppm、宇宙1.01✕107
克拉克值 0.08%(14位)
发现者
主要的同位素 12C(98.93%), 13C(1.07%), 14C (β、5.730✕103年)
用途例 装饰品、研磨剂(钻石)、高尔夫球杆杆身(碳纤维)、炭黑、活性炭、化石燃料、有机化合物的组成元素、塑料
前后的元素 硼ー碳ー氮

高尔夫球杆杆身材料ー碳纤维

碳纤维顾名思义是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。

碳纤维,是由聚丙烯腈,石油,石炭等有机物纤维化后,通过特殊的热处理加工制备而成的。是由微小的石墨结晶结构排列组成的纤维状物质,也成为石墨纤维。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。

碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化,200-300℃)、碳化(1000-2000℃)、石墨化(2000-3000℃),浆纱表面处理等过程。其间伴随的化学变化包括,脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

出自日本东丽化学品公司

 

世界上最坚硬的矿物质、钻石

众所周知,钻石是世界上最坚硬的矿物质,也是碳的一种同素异形体。其坚硬的原因如下图所示,由于碳原子之间都是靠共价键相结合所致。而石墨也是碳的另一种同素异形体,由于其具有层状结构,并且层与层之间是以范德华力相结合,相比于钻石的共价键来说要弱,因此硬度比钻石差了好多倍。在工业上石墨常常被用作研磨剂。

 

最小的足球?富勒烯C60

富勒烯(Fulluerene)是除钻石,石墨以外的碳的第三种同素异形体。而其结构跟足球相似,由60个以上的碳原子通过共价键结合组成。特别是由60个碳组成的富勒烯C60,由于其形状与建筑家Richard Buckminster Fuller设计的一个拱顶很相似,所以也被称为Buckminster富勒烯。

C60的发现者是佛罗里达州立大学的克罗托,美国莱斯大学的斯莫利,柯尔等人,也正是由于该发现,他们获得了1996年的诺贝尔化学奖。

实际上,据说在同时期,美国埃克森公司(现为埃克森美孚公司)的研究人员也进行了相同的实验,而当时并没有过多的注意到富勒烯的形成。最近通过对富勒烯的化学修饰来开发新型纳米材料的研究还是比较火。

 

碳纳米管的发现

1991年、NEC基础研究所的饭岛澄男,在富勒烯的合成研究中,在电弧放电的阴极堆积物中发现了碳纳米管。

一枚石墨烯弯曲成桶状的结构,直径大概数十纳米,长约数微米,因此而得名。现在,平板显示器,扫描探针显微镜尖端,各种气体的吸附材料等方面的应用性研究正备受关注与期待。

 

simple is the best?石墨烯

2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授与康斯坦丁·诺沃肖洛夫(当时是学生)从石墨中剥离出的碎片中得到了石墨烯。该方法特别简单,他们将石墨片放置在塑料胶带中, 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制

石墨烯的导电率是硅的100倍,并且强度是钢铁的200倍。而正由于石墨烯的发现,这师徒二人也获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

 

 

The following two tabs change content below.
LuWenjie

LuWenjie

京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
LuWenjie

Latest posts by LuWenjie (see all)

Related post

  1. 铍 Beryllium -翡翠的成分、宇宙望远镜的反射镜材料
  2. 钠 刺激我们味蕾的元素
  3. 硼 Boron -蟑螂驱虫药到耐火玻璃的应用
  4. 锂 Lithium -从锂电池到医药品
  5. 氮元素 Nitrogen -氨基酸、蛋白质、DNA的主要元素
  6. 氦 Helium -比空气轻! 超导磁体的冷却剂
  7. 氧元素-构成空气与水的“身边的元素”
  8. 氖元素-点缀城市夜空的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

PAGE TOP