Question

什么是C60

Answer 1

c60
一
近年来，科学家们发现，除金刚石、石墨外，还有一些新的以单质形式存在的碳。其中发现较早并已在研究中取得重要进展的是c60分子。
c60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。
c60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，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。
处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。
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射线分析等实验所证明。此外，还有c70等许多类似c60的分子也已被相继发现。
我国北京大学化学系和物理系研究小组也研制出c60分子。目前，人们对c60分子的结构和反应的认识正在不断深入，它应用于材料科学、超导体等方面的研究正在进行中。
二
c60是80年代中期新发现的一种碳原子簇，它是单质，是石墨、金刚石的同素异形体。很久以前在宇宙光谱中就发现过它，直到1985年人们才用激光的方法合成并分离得较纯的c60（含c70），它有确定的组成，60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个六边形，12个五边形。由于这个结构的提出是受到建筑学家富勒（buckminster
fuller）的启发。富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构。因此科学家把c60叫做足球烯，也叫做富勒烯，为什么叫烯呢？因为32面体的每个顶点上的碳原子跟三个其它的碳原子相邻。如同苯环上每个碳原子都是sp2杂化。p轨道在环的上、下形成π键一样，足球烯每个顶角上的碳原子也都满足sp2杂化的要求，（类似萘环上两个不带氢原子的碳原子）剩余的p轨道在c60分子的外围和内腔形成π键。也可以想象c60分子的封闭壳上犹如“贴了”20个苯环一样。科学家们预言它具有芳香性；丰富的π电子可以形成配合物；有特殊的物理、光谱性质等等。这样一来就吸引了许多人研究它。从合成方法的改进到各种性质的测试，从量子化学的计算到合成各种包含物、配合物。有些新的碳簇配合物又具有特殊的超导材料性能。为寻求它们的应用价值，人们还在不断努力。这样就使c60大大时髦了一阵，成为近两年来物理和化学界的研究热门话题。
科学家的研究思路也是从已知推向未知的探索，因为它是石墨、金刚石的同素异形体，因此有人就联想到用廉价的石墨作原料合成c60，也有人想到它含有苯环单元的结构，是不是可以选用苯作原料合成c60。这些设想他们都成功了，1000g苯可以制得3gc70和c60的混合物（它们的比率0.26～5.7）。有人像计算苯一样地计算碳簇分子的共振能、π电子总能、自由价等等。