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足球烯的結(jié)構(gòu)與碳原子雜化方式

2024/6/19 9:56:29 作者:谷雨

足球烯或巴克球、巴基球,是一種完全由碳組成的中空分子,形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。足球烯在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似,石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成,而足球烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán),偶爾還有七元環(huán)。

足球烯

結(jié)構(gòu)

在數(shù)學(xué)上,足球烯的結(jié)構(gòu)都是以五邊形和六邊形面組成的凸多面體。最小的足球烯是C20,有正十二面體的構(gòu)造。沒(méi)有22個(gè)頂點(diǎn)的足球烯,之后都存在C2n的足球烯,n=12、13、14……所有足球烯結(jié)構(gòu)的五邊形個(gè)數(shù)為12個(gè),六邊形個(gè)數(shù)為n-10。

低對(duì)稱性足球烯

低對(duì)稱性足球烯的鍵長(zhǎng)是不一樣的,雖然也是離域π鍵,從核磁共振碳譜可以清楚看出來(lái)有很多條碳信號(hào)。

碳原子雜化方式

處于頂點(diǎn)的碳原子與相鄰頂點(diǎn)的碳原子各用近似于sp2雜化軌道重疊形成σ鍵,每個(gè)碳原子的三個(gè)σ鍵分別為一個(gè)五邊形的邊和兩個(gè)六邊形的邊。碳原子雜化軌道理論計(jì)算值為sp2.28,每個(gè)碳原子的三個(gè)σ鍵不是共平面的,鍵角約為108°或120°,因此整個(gè)分子為球狀。每個(gè)碳原子用剩下的一個(gè)p軌道互相重疊形成一個(gè)含60個(gè)π電子的閉殼層電子結(jié)構(gòu),因此在近似球形的籠內(nèi)和籠外都圍繞著π電子云。

制備

大量低成本地制備高純度的足球烯是足球烯研究的基礎(chǔ),自從克羅托發(fā)現(xiàn)C60以來(lái),人們發(fā)展了許多種足球烯的制備方法。目前較為成熟的足球烯的制備方法主要有電弧法、熱蒸發(fā)法、燃燒法和化學(xué)氣相沉積法等。

電弧法

一般將電弧室抽成高真空,然后通入惰性氣體如氦氣。電弧室中安置有制備足球烯的陰極和陽(yáng)極,電極陰極材料通常為光譜級(jí)石墨棒,陽(yáng)極材料一般為石墨棒,通常在陽(yáng)極電極中添加銖、鎳、銅或碳化鎢等作為催化劑。當(dāng)兩根高純石墨電極靠近進(jìn)行電弧放電時(shí),炭棒氣化形成等離子體,在惰性氣氛下小碳分子經(jīng)多次碰撞、合并、閉合而形成穩(wěn)定的C60及高炭足球烯分子,它們存在于大量顆粒狀煙灰中,沉積在反應(yīng)器內(nèi)壁上,收集煙灰提取。電弧法非常耗電、成本高,是實(shí)驗(yàn)室中制備空心足球烯和金屬足球烯常用的方法。

燃燒法

苯、甲苯在氧氣作用下不完全燃燒的碳黑中有C60和C70,通過(guò)調(diào)整壓強(qiáng)、氣體比例等可以控制C60與C70的比例,這是工業(yè)中生產(chǎn)足球烯的主要方法。

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