同素异形体

*石墨石墨为层型结构，层中每个C原子以杂化轨道与三个相邻的碳原子形成三个等距离的键，由此形成C原子的无限平面层。而各个碳原子垂直于该平面的轨道，彼此相互重叠形成离域键，使层中C原子间距离变为141.5pm，较C—C单键短，其键级相当于4/3。石墨晶体主要有六方晶系和三方晶系两种对称性。这种结构使石墨的力学性质显示出鲜明的各向异性，在和层平等的方向上显示出完整的解离性，层间易于滑动，所以石墨很软，是良好的固体润滑剂。*钻石（金刚石）金刚石的结构和性质在金刚石中，C原子以杂化轨道形成四面体的键，每个碳原子均以四个按四面体分布的键与相邻的四个碳原子结合成庞大的分子。在金刚石中C原子的所有外层电子都参与成键，所以高纯而完整的金刚石晶体是绝缘体。金刚石的晶体结构除通常见到的立方晶体外还有六方晶体。由于C—C键贯穿整个晶体，使晶体解离困难，因此金刚石是天然存在最硬的物质。它的抗压强度高，耐磨性能好，熔点高，而且具有抗腐蚀、抗辐射等优良性能。*富勒烯C60（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯）一个由12个五元环和20个六元环组成的球形32面体，它的外形酷似足球。六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合，形成类似苯环的结构，它的键不同于石墨中杂化轨道形成的键，也不同于金刚石中杂化轨道形成的键，是以杂化轨道(成分为30％，成分为70％)形成的键。的键垂直于球面，含有10％的成分，90％的成分，即为。中两个键间的夹角为106°，键和键的夹角为101.64°。由于的共轭键是非平面的，环电流较小，芳香性也较差，显示不饱和双键的性质，易于发生加成、氧化等反应，现已合成了大量的衍生物。富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能，具有超导，半导体，强磁性等特点，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。例如，掺杂有碱金属的－和，具有超导性，有较高的超导临界温度，分别为18K和28K。最近，美国朗讯公司贝尔实验室将氯仿(CH)和溴仿(CH)掺入中，使超导临界温度大大提高。将来如能将掺杂物的超导临界温度提高到室温，人类就得到了极理想的超导材料。*无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨）无定形碳是由石墨层型结构的分子碎片互相大致平等地无序堆积，间或有碳按四面体成键方式互相键连，而形成无序结构。在无定形碳中，以四面体成键的碳有多有少，多则形成比较坚硬的无定形碳如焦炭、玻璃态碳等。焦炭、木炭、炭黑和玻璃态碳等是无定形碳的主要存在形式，而煤和碳纤维等的结构则介于石墨和无定形碳之间。*碳纳米管（Carbonnanotube）(1)结构：碳纳米管(Carbonnanotube)是1991年被日本科学家饭岛(Iijima)发现的一种针状的管形碳单质结构。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空、两端基本上都封口的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Singlewalledcarbonnanotube,SWNT)，多于一层的则称为多壁纳米碳管(Multi-walledcarbonnanotube,MWNT)。(2)SWNT的直径一般为1－6nm，最小直径大约为0.5nm，与分子的直径相当，但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。MWNT的层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。(3)碳纳米管中的碳原子以杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属杂化。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管(图4)。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离，Ruff等用Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。(4)性质：碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点。(5)碳纳米管具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置取代体积大、重量重的阴极电子管技术。(6)碳纳米管由于纳米中空管及螺旋度的共同作用，具有极高的强度和理想的弹性，杨氏模量甚至可达1.3TPa，在内外层承受了16%的应变的情况下，碳纳米管没有断裂，证明其具有非凡的韧性和恢复能力。碳纳米管长径比在1万以上，强度比钢高100倍，但重量不及钢的1/6。(7)碳纳米管具有如此优秀的力学性能，是一种绝好的纤维材料，它的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，可望应用于材料领域的多个方面。尤其在汽车、飞机及其它飞行器的制造上带来革命性的突破。(8)碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%，具备理想的超级电容器电极材料的所有要求。*蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，与钻石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）*赵石墨（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）*汞黝矿结构（Schwarzite，由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构）*纤维碳（Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维）*碳气凝胶（Carbonaerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）*碳纳米泡沫（Carbonnanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）最常见的两种单质是高硬度的钻石和柔软滑腻的石墨，它们晶体结构和键型都不同。金刚石每个碳都是四面体4配位，类似脂肪族化合物；石墨每个碳都是三角形3配位，可以看作无限个苯环稠合起来。碳同素异形体系统横跨完全极端且十分不同的范围。