碳单质都有哪些？它们分别具有啥样的结构？分别都有哪些性质及用途

2023-01-08

本文主要是 碳单质有哪些？它们分别具有什么样的结构？分别有哪些性质及用途 相关的知识问答，如果你也了解，请帮忙补充。

碳有金刚石和石墨.
金刚石正四面体结构
石墨.平面结构
活性炭用于吸附脱色，净水等作用
炭黑用于制轮胎，碳素墨水
焦炭用于工业炼铁，制水煤气，制生石灰
金刚石用于钻磨工业，制钻石
石墨用于润滑，制铅笔 参考知识1 co 参考知识B 纯净的、单质状态的碳有金刚石、石墨和C60（又称富勒烯或足球烯），此外，还有C36、C70、C84、C240、C540、碳纳米管等。它们是碳的同素异形体。
而作为混合物的碳单质无定形碳，有木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。
金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。 由于金刚石晶体中碳碳键很强，所有价电子都参与了共价键的形成。晶体中没有自由移动电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。常温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成二氧化碳。 金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和制成玻璃刀，它是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。
石墨的柔软性几乎与金刚石的硬性同样著称。它很容易被粉碎，并有滑腻的感觉。石墨晶体的横断面呈六角（六边）形，密度是2.26克/厘米3。石墨虽然是一种非金属，但它是电的相当好的导体。在石墨中，各碳原子层之间的距离太大，难于生成共价键，它们是通过弱色散力结合在一起的。这种力是由各层中电子的运动所产生的，各层间的这种弱引力说明了石墨的柔软性，而它的滑腻感则是由于一层在另一层上滑动的结果。 天然石墨的最重要的用途是涂在浇铸金属用的铸模上。石墨还可以增加钢中的含碳量，制造用于熔炼钢和其它金属的粘土－石墨坩埚。所有这些用途都利用了石墨具有极高熔点这个性质。石墨是非常好的润滑剂，有时把石墨与凡士林或马达油混和在一起制成石墨润滑剂，它可以用来代替石油润滑剂润滑在高温下运行的机器部件。当石墨在纸上划过时，就能留下灰色条纹或痕迹，在制造“铅”笔时，先要把石墨研成粉末并与粘土混和，然后制成棒状，铅笔的硬度取决于制造过程中粘土的相对用量。 人造石墨最重要的用途是制造电弧炼钢炉中的电极。人造石墨电极也被用于电解食盐水溶液来生产氯和氢氧化钠。石墨不与酸、碱、有机溶剂或无机溶剂起反应，这个特点使它广泛应用于食品、化工、石油等工业的各种工艺过程的设备中。石墨还被用于核反应堆中。 如果把某些人造纤维与塑性树脂混和并在压力下加热，它们就能成为碳纤维。这些纤维中的碳是以石墨的形式存在的。碳纤维的密度比钢低，但是强度和硬度都比钢好。它们被用于收音机的舱板和折翼，以及用在气象卫星和通讯卫星中。在体育用品中，碳纤维用于制造高尔夫球的棍棒、网球拍、钓鱼竿和自行车的三角架。
C60(碳60简称为C60) 分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，它形似足球，主要应用于材料科学，超导体等方面。它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因此又被称为足球烯。足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱（Kroto,H.W.）和史沫莱（Smalley,R.E.）等人于1985年提出的，他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱，X射线分析等实验证明。此外，还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现。1991年，科学家们发现，C60中掺以少量某些金属后具有超导性，且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料——陶瓷要简单，质地又十分坚硬，所以人们预言C60在超导材料领域具有广阔的应用前景。碳60分子俗称布基球，由60个碳原子构成，它们组成一个笼状结构。这一分子于1985年被发现后因它具有特殊性质，一直是化学家们的热门研究对象。碳－60分子是科学家发现的，它由60个碳原子组成形似足球的分子，因而又被称为“布基球”。在过去的实验中，它表现出与普通形态的碳元素大不相同的物理、化学性质。
C70：碳70，由70个碳原子构成，比C60多10个碳，化学键基本相同。共面的碳原子为五圆环，六圆环，化学性质稳定，但能在某些情况下在电磁情况下与淀粉溶液反应。
C76可溶于水，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。
C76在自然中可以以单质形式稳定存在，目前已经探明它广泛存在于日本本州岛与北九州的矿脉中。由于其外形像一本书，所以俗称书本烯。书本烯于2008年被日本科学家灵梦托尼发现，并于2009年初制得纯C76。C76的用途：C76由于其密度轻体积小，十分适合生产电子产品。其未来可能用于计算机领域，并广泛进入各位电脑爱好者的家中。另据报道称，C76还被用于某些书本中，这种书本能够有抗菌、耐磨、防止特殊液体污染的特殊功能，目前已有超过千个个人和组织宣布于自己的产品中使用该材料，其中包括著名工艺品厂商樽索推出的新品莲花船鉴定证书、七年龙神（个人）推出的第五款黑尾鸥饲养说明等。C76产品计划于2009年8月中旬投入量产，将在日本首先上市。 研究表明光学活性的C76和C84对热和光都是稳定的。由于C78, C84都只有一个几何异构体是手性的，所以它们的CD光谱就代表了单一的手性异构体的光谱性质，即C78(D3对称性)和C84(D2对称性)。C78和C84的CD光谱可以表现出比相应的UV光谱更多的电子结构信息，特别是只有手性异构体才会出现CD光谱，并且不受非手性异构体的干扰，因此所得CD光谱有助于更高碳数富勒烯的电子结构分析。
无定形碳指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。煤炭是天然存在的无定形碳，其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳，并不是指这些物质存在的形状，而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨一样结构的晶体，只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。
石墨烯　　石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。