富勒烯的结构性质及用途

富勒烯的结构、性质及用途2009210349焦珂化学中最常说的一句话便是：结构决定性质，性质决定用途。富勒烯——C60，这一神奇的物质，自从发现以后就受到科学家的密切关注，积极探索它的用途，从而为人类生产生活带来更大的便利。正是由于其特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。结构C60的分子结构为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。球体直径约为710pm，即由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相联接只与六边形相邻。与石墨相似，每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成π键。性质①颜色与性状：C60在室温下为紫红色固态分子晶体，有微弱荧光；②分子大小：C60分子的直径约为7.1埃（1埃=10的负十次幂米）；③密度：C60的密度为1.68g/cm3；④溶解性：C60不溶于水等强极性溶剂，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解性；⑤导电性：C60常态下不导电。因为C60大得可以将其他原子放进它内部，并影响其物理性质，因而可导电。另外，由于C60有大量游离电子，所以若把可作β衰变的放射性元素困在其内部，其半衰期可能会因此受到影响。⑥化学性质氧化还原反应：在光照的条件下将C60与O2反应生成环氧化物C60O，但这种环氧化物不稳定，用矾土分离时能还原成C60。加成反应：C60可以与氢或卤素单质进行加成。把其完全氢化便得绒毛球烷（Fuzzyball），化学式为C60H60（加成进的氢原子有可能C60在笼内也可能在C60外部）。烷基自由基R可与C60反应生成RC60加和物，RC60可生成C60直接键和哑铃状二聚体RC60-C60R。与金属的反应：C60与金属的反应分为两种情况：一种是金属被置于C60碳笼的内部；另一种是金属位于C60碳笼的外部：1)C60碳笼内配合物生成反应。C60碳笼为封闭的中空的多面体结构，其内腔直径为7.1埃，内部可嵌入原子、离子或小分子形成新的团簇分子。能与C60生成C60(A)的金属有：K、Na、Cs、La、Ba、Sr、U、Y、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Th等。除金属外，He、Ne等惰性气体及LiF、LiCl、NaCl等极性分子亦可移置C60笼中。2)C60碳笼外键合反应。能与C60键合的金属有：V、Fe、Co、Ni、Rh、Cu、La、Yb、Ag等。⑦超导性⑧磁性用途一用于增强金属：在增强金属材料方面，C60的作用将比焦炭中的碳更好，这是因为C60比碳的颗粒更小、活性更高，C60与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小是0.7nm，而碳与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小为2μm～5μm，在增强金属的作用上有较大差别。二用作新型催化剂C60具有烯烃的电子结构，可以与过渡金属(如铂系金属和镍)形成一系列络合物。例如C60与铂、锇可以结合成{[(C2H5)3P]2Pt}C60和C60OsO4·(四特丁基吡啶)等配位化合物，它们有可能成为高效的催化剂。三用于气体的贮存：利用C60独特的分子结构，可以将C60用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料。每一个C60分子中存在着30个碳碳双键，因此，把C60分子中的双键打开便能吸收氢气。与金属或其合金的贮氢材料相比，用C60贮存氢气具有价格较低的优点，而且C60比金属及其合金要轻，因此，相同质量的材料，C60所贮存的氢气比金属或其合金要多。C60不但可以贮存氢气，还可以用来贮存氧气。与高压钢瓶贮氧相比，高压钢瓶的压力为3.9×106Pa，属于高压贮氧法，而C60贮氧的压力只有2.3×105Pa，属于低压贮氧法。利用C60在低压下大量贮存氧气对于医疗部门、军事部门乃至商业部门都会有很多用途。四用于制造光学材料：由于C60分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。如它的光学限制性在实际应用中可做为光学限幅器。C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，使其做为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。五用于制造高分子材料：由于C60特殊笼形结构及功能，将C60做为新型功能基团引入高分子体系，得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。C60掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成为很有前途的光学限幅材料。六生物学及医学应用：1）用于制造生物活性材料2）癌细胞的杀伤效应3）其他医疗功能由于用C60薄膜做基质材料可以制成齿状组合型的电容器，用它来制成的化学传感器具有比传统的传感器尺寸小、简单、可再生和价格低等优点，可能成为传感器中颇具吸引力的一种候选产品。富勒烯还具有记忆性，可以用做记忆材料。