高三化学无机非金属材料精选文档.ppt

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1、高三化学无机非金属材料本讲稿第一页，共十九页碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较金刚石金刚石石墨石墨C60本讲稿第二页，共十九页结构和性质结构和性质金刚石金刚石石墨石墨C C6060C原子的成键形式原子的成键形式 四面体四面体平面三角形平面三角形球面形球面形（直径（直径710pm）C原子的杂化轨道原子的杂化轨道sp3sp2sp2.26(键键s0.3 p0.7)CCC键角键角10928120116CC键长键长/pm154.4141.8139.1(6/6)145.5(6/5)密度密度/g.cm-33.5142.2661.678电阻电阻/.cm10141016(0.4-5.0)10-4(

2、层层)(0.2-1.0)(层层)硬度硬度/Mohs101碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较本讲稿第三页，共十九页“明星分子明星分子”的发现的发现Robert F.Curl教授教授（Rice University）Harold W.Kroto教授教授（University of Sussex）Richard E.Smalley教授教授（Rice University）本讲稿第四页，共十九页C C6060的发现历程（一）的发现历程（一）意外的发现意外的发现（1 1）Harold W.KrotoHarold W.Kroto的研究领域是星际分子问题的研究领域是星际分子问题 ；（2 2）R

3、ichard E.SmalleyRichard E.Smalley研究的是各种元素原子簇的性研究的是各种元素原子簇的性质；质；SmalleySmalley发明了一台很好的仪器，叫激光超声波原子发明了一台很好的仪器，叫激光超声波原子束射线测试仪，这台测试仪可以进行周期表内几乎所有束射线测试仪，这台测试仪可以进行周期表内几乎所有元素的原子束的研究。元素的原子束的研究。本讲稿第五页，共十九页图图1 1 激光超声波原子束射线测试仪激光超声波原子束射线测试仪 本讲稿第六页，共十九页图图2 质谱仪工作原理质谱仪工作原理 本讲稿第七页，共十九页图图3 实验中得到的质谱图实验中得到的质谱图本讲稿第八页，共十九

4、页C C6060的发现历程（二）的发现历程（二）结构的鉴定结构的鉴定 Smalley Smalley和他的夫人（也是一位科学家）最初使用牙签和他的夫人（也是一位科学家）最初使用牙签搭建搭建C C6060的模型，可惜没有成功；接着用计算机进行模的模型，可惜没有成功；接着用计算机进行模拟也遭失败。拟也遭失败。后来他们借助后来他们借助KrotoKroto送给送给SmalleySmalley小孩的小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含有一些玩具模型搭成了一个球体（包含有1212个五边形与个五边形与2020个六边形）后，向数学家个六边形）后，向数学家VeechVeech（同属（同属Rice Rice U

5、niversityUniversity）请教）请教C C6060能是一种什么样的结构。能是一种什么样的结构。VeechVeech的答的答复是：复是：“和足球的结构相同和足球的结构相同”。于是。于是C C6060的结构就被确定的结构就被确定了下来。了下来。本讲稿第九页，共十九页C C6060的发现历程（三）的发现历程（三）物性、谱学的研究物性、谱学的研究STMSTM（扫描隧道显微镜）测试（扫描隧道显微镜）测试图图5 5 扫描隧道显微镜原理示意图扫描隧道显微镜原理示意图图图4 4 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜本讲稿第十页，共十九页图图6 C6 C6060的的STMSTM原子分辨图原子分辨图本讲稿第

6、十一页，共十九页C C6060的发现历程（四）的发现历程（四）制备方法的改进制备方法的改进 1991 1991年年8 8月在美国费城举行了月在美国费城举行了“C“C6060及其衍生物研究及其衍生物研究”的学术报告的学术报告会，同年会，同年1010月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。两场报告会两场报告会都是座无虚席，情景空前热烈。都是座无虚席，情景空前热烈。图图7 7 电弧法制备电弧法制备C60C60的装置的装置 但是改进后的方法产量还是小，从但是改进后的方法产量还是小，从10001000克石墨只能得到克石墨只能得到3 3克克C C6060。由于制备上的困

7、难，由于制备上的困难，C C6060价格非常昂贵，价格非常昂贵，比如粗制煤烟比如粗制煤烟20$/g20$/g，富含，富含C C6060的煤烟的煤烟80$/g80$/g，含多种球碳的煤烟含多种球碳的煤烟500500$/g$/g。提纯后。提纯后C C6060-C-C7070混合物的价格是混合物的价格是1200$/g1200$/g，几乎为当年黄金价格的，几乎为当年黄金价格的100100倍。倍。本讲稿第十二页，共十九页C C6060应用举例应用举例本讲稿第十三页，共十九页一、一、C C6060在超导体中的应用在超导体中的应用图图1 M1 M+处于处于C C6060的的fccfcc晶格间隙晶格间隙 K3

8、C60Rb3C60Cs3C60Tc/K18193033（-240）表表1 1 几种碱金属掺杂几种碱金属掺杂C C6060的超导性质的超导性质 1 1、掺杂、掺杂C C6060的超导体的超导体本讲稿第十四页，共十九页2 2、C C6060的多聚物的多聚物图图2 C2 C6060的二聚物的二聚物C C116116 有人曾经预测过，当有人曾经预测过，当C C原子数达到原子数达到540540时，就可获得室温超时，就可获得室温超导。导。本讲稿第十五页，共十九页二、二、C C6060F F6060 C C6060打开打开3030个双键与氟发生加成反应生成个双键与氟发生加成反应生成C C6060F F606

9、0，这是，这是一种白色的粉末，耐高温（约一种白色的粉末，耐高温（约700700），可以用作超级固），可以用作超级固体润滑剂。因此，体润滑剂。因此，C C6060F F6060被称为被称为“分子滚珠分子滚珠”。三、三、C C6060的耐压性的耐压性 在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其次在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其次是石墨，是石墨，C C6060最小。美国康奈尔大学的研究工作表明最小。美国康奈尔大学的研究工作表明：在中等压力下情况却完全不同，：在中等压力下情况却完全不同，C C6060的耐压程度要远远的耐压程度要远远超过金刚石。超过金刚石。本讲稿第十六页，共十九页 C C60

10、60具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑开具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑开关。关。四、四、C C6060F F6060的非线性光学性质的非线性光学性质 可以合成顶端含可以合成顶端含C C6060的星型聚乙烯大分子，用作为多电子的星型聚乙烯大分子，用作为多电子存储系统。存储系统。五、用作多电子存储系统五、用作多电子存储系统 将金属锂植入将金属锂植入C C6060内部形成的内部形成的LiCLiC6060化合物，可作为高能化合物，可作为高能锂电池锂电池。六、六、LiCLiC6060七、用于制作七、用于制作 巴基管巴基管 碳纳米的材料碳纳米的材料 本讲稿第十七页，共十九页碳纳米管简介碳纳

11、米管简介 C C6060、C C7070只是福勒烯家族中只是福勒烯家族中的一员，除此之外，还有多种的一员，除此之外，还有多种形式的碳单质相继被科学家所形式的碳单质相继被科学家所发现，发现，比如：碳纳米管、碳比如：碳纳米管、碳纳米颗粒、纳米颗粒、“巴基洋葱头巴基洋葱头”。碳纳米管可以看成用石墨层卷碳纳米管可以看成用石墨层卷曲形成的管状结构，第一个碳曲形成的管状结构，第一个碳纳米管由日本纳米管由日本NECNEC公司的公司的S.LijimaS.Lijima所发现。所发现。图图1 1 碳纳米管碳纳米管本讲稿第十八页，共十九页 碳纳米管由于其磁学、电学性能的改变，其应用领域变宽，比如用碳纳米管由于其磁学

12、、电学性能的改变，其应用领域变宽，比如用作催化剂或其载体、纳米导线、复合材料、纤维与药物等。作催化剂或其载体、纳米导线、复合材料、纤维与药物等。碳纳米管一个令人激动的应用领域就是替代半导体硅制备碳基电碳纳米管一个令人激动的应用领域就是替代半导体硅制备碳基电子器件。传统的硅半导体存在发热问题，由于碳纳米管的电子物理性子器件。传统的硅半导体存在发热问题，由于碳纳米管的电子物理性质来源于几何结构质来源于几何结构(直径小于直径小于0.1nm0.1nm即发现有量子效应即发现有量子效应)而不是来自掺而不是来自掺杂，故其热稳定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。碳纳米管器件杂，故其热稳定性好，可制得比硅芯片小

13、百倍的器件。碳纳米管器件还可望代替还可望代替CRTCRT阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。问题。Richard E.SmalleyRichard E.Smalley曾经预言可用碳纳米管作曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画数字绘画”（又称为（又称为“分子焊接分子焊接”）：碳纳米管相当于画笔的笔杆；连在碳纳米管上的催化）：碳纳米管相当于画笔的笔杆；连在碳纳米管上的催化分子好像是画笔的鬃毛；而画布就是需要在其上构造分子层次结构的表分子好像是画笔的鬃毛；而画布就是需要在其上构造分子层次结构的表面；那么溶液中漂浮着的反应物分子构成就是面；那么溶液中漂浮着的反应物分子构成就是“绘画绘画”了，碳纳米管末了，碳纳米管末端的催化分子和反应物分子依画笔端的催化分子和反应物分子依画笔“数字数字”而发生变化。使用碳纳米管而发生变化。使用碳纳米管作分子作分子“焊接焊接”将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯片。片。碳纳米管应用碳纳米管应用本讲稿第十九页，共十九页