足球烯的物化性质与用途

足球烯也称为富勒烯，其是碳元素的一种特殊同素异形体，其特殊的球状形态使其具有高结构稳定性，可以用于半导体器件的构造，先进功能材料添加剂，太阳能电池等领域。

狭义的富勒烯是指C60分子，其由60个碳原子构成完好的球形，因此也被称为是足球烯。广义的富勒烯包括由碳原子层构成的各种球状结构，其中每一层碳原子层具有类似于石墨烯的结构。

结构特性

C60分子的笼状结构酷似足球，32 个面中包括 12 个五元环和 20 个六元环，每个五元环均与 5 个六元 环共边，每个六元环与 3 个六元环、3 个五元环交互相接，即六元环将 12 个五元环彼此隔开。

C70 的形状类似于橄榄球，分子中有 12 个五元 环和 25个六元环 ,每个五元环也是均与 5 个六元环共边，即六元环将12个五元环彼此隔开。实际上 , 到目前为止，制备得到的该类分子都是由 12 个五元环和数目不等的六元环组成，每个五元环均与 5个六元环共边 ,即六元环将 12 个五元环彼此隔开。

为什么会这样呢 ? 这是因为五元环的σ键中存在张力 ,而六元环的σ键不存在张力 ,五元环与五元环相连使分子中的σ键张力增大变得不稳定。所以在目 前实验室制得的富勒烯分子中 ,五元环是孤立存在 的 ,即每个五元环周围全是六元环 ,人们把这种现象 称为“孤立五元环原则”(即富勒烯分子中五元环尽量与六元环连接而不与五元环连接 ,以保持分子稳 定) 。能够满足“孤立五元环原则”的最小富勒烯分子就是 C60分子。

物化性质

足球烯分子的独特结构决定了它们多姿多彩的物理、化学性质。在物理性质方面 :足球烯分子是非极性、含有大π键的球形分子 ,易溶于含有大π 键的芳香性溶剂中 ,如苯、甲苯等 ;在室温常压下 C60 以固体形式存在 ,晶体结构为面心立方 ;由热力学性质可知 ,碳单质稳定性顺序为石墨 > 金刚石 >足球烯 ;C60无论是基态还是激发态都是很好的电子受体 ;

虽然富勒烯分子本身并不是一个双亲分子 ,但也能在纯水表面上铺展成稳定的Langmuir 膜 ;富勒烯具有超导性 ,自C60常量制备方法发现后不久 ,人们就对富勒烯超导体的研究表现出极大兴趣。另外 , 富勒烯的电化学性质也极其丰富。

在化学性质方面 (以 C60为例) :目前富勒烯的化学性质主要集中在分子修饰上。中空的碳笼分子既可以生成笼内包含 (endo - ) 物(用符号 Mx @Cn 表示 ,M 代表笼内分子、原子或离子 ,Cn 代表富勒烯分子,又可以在外表面(epi - ) 上反应生成衍生物。也就是说富勒烯分子既可以进行笼内修饰 ,又可以进行笼外修 饰。另一方面 ,C60分子有 60 个单键和 30 个双键，既具有三维芳香性特征 ,又具有烯烃的性质 ,可以发生多种反应 ,主要有还原反应、亲核加成反应、环加成 反应、氢化反应、自由基加成反应、与过渡金属配合物的络合反应、卤化反应等。C60 分子中60个碳原子是等同的 ,每个碳原子上都可以发生反应生成衍生物 ,可见 C60衍生物的数目将会很多。6 个碳原子等同的苯分子及其衍生物形成了芳香族化合物化学,内容丰富多彩。

应用

通过对富勒烯极其衍生物的研究 ,人们发现富勒烯极其衍生物在电子光敏器件、超导、发光材料、 分子磁体、催化、生物医学等方面 ,都有着很好的应用前景。有文献将富勒烯称为“21 世纪材料的先驱”。

制备

大量低成本地制备高纯度的富勒烯是富勒烯研究的基础，自从克罗托发现C60以来，人们发展了许多种富勒烯的制备方法。目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。

电弧法

一般将电弧室抽成高真空，然后通入惰性气体如氦气。电弧室中安置有制备富勒烯的阴极和阳极，电极阴极材料通常为光谱级石墨棒，阳极材料一般为石墨棒，通常在阳极电极中添加铢、镍、铜或碳化钨等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时，炭棒气化形成等离子体，在惰性气氛下小碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高炭富勒烯分子，它们存在于大量颗粒状烟灰中，沉积在反应器内壁上，收集烟灰提取。电弧法非常耗电、成本高，是实验室中制备空心富勒烯和金属富勒烯常用的方法。

燃烧法

苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60和C70，通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例，这是工业中生产富勒烯的主要方法。