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非金屬元素同素異形體綜論 版權信息
- ISBN：9787030736758
- 條形碼：9787030736758 ; 978-7-03-073675-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
非金屬元素同素異形體綜論 本書特色
以利于促進學生科學素養發展為出發點，突出創新思維和科學研究方法，以教師好使用、學生好自學為努力方向，以提高教學質量、促進人才培養為目標。
非金屬元素同素異形體綜論 內容簡介
本書為基礎無機化學教學的輔助用書，其宗旨是以利于促進學生科學素養發展為出發點，突出創新思維和科學研究方法，以教師好使用、學生好自學為努力方向，以提高教學質量、促進人才培養為目標。全書共11章，第0章緒論包括"元素同素異形體之新定義"和"元素同素異形體研究發展之基礎"兩節，其余10章分述非金屬元素氫、硼、碳、硅、氮、磷、砷、氧、硫和硒的同素異形體研究發展狀況，包括它們的分類、組成、性質、結構、制備和應用。編寫中力圖體現內容緊跟科學前沿發展，突出文獻使用，圖文并茂，章末附有思考題和參考文獻。
非金屬元素同素異形體綜論 目錄
目錄
第0章 緒論 1
0.1 元素同素異形體之新定義 1
0.1.1 元素同素異形體概念的演變 1
0.1.2 對概念的一般理解 2
0.1.3 嚴格定義的探討 3
0.1.4 同素異形體與原子電子層結構的關系 3
0.1.5 同素異形體的穩定性判斷 4
0.2 元素同素異形體研究發展之原因 5
0.2.1 背景分析 5
0.2.2 元素同素異形體快速研究發展之條件 7
0.3 教學提示 19
學習思考題 20
參考文獻 21
第1章 氫元素單質的同素異形體 25
1.1 氫的一般介紹 25
1.1.1 氫的一般性質 25
1.1.2 氫在自然界的存在 26
1.1.3 氫的發現和命名 26
1.1.4 氫的成鍵特征 27
1.2 原子氫 28
1.3 氫氣 29
1.3.1 氫氣的制備 30
1.3.2 氫氣的用途 35
1.4 三原子氫 38
1.5 金屬氫 39
1.5.1 金屬氫的發現史 39
1.5.2 金屬氫的應用 43
1.6 反氫原子 45
1.6.1 反氫原子的定義和結構 45
1.6.2 反氫原子的研究發展史 45
1.7 教學提示 48
學習思考題 49
參考文獻 49
第2章 硼元素單質的同素異形體 52
2.1 硼的一般介紹 52
2.1.1 硼的一般性質 52
2.1.2 硼在自然界的存在 53
2.1.3 硼的發現和命名 53
2.1.4 硼的成鍵特征 54
2.2 硼的同素異形體簡介 55
2.3 無定形硼 55
2.4 晶態硼 56
2.4.1 α-菱形硼 56
2.4.2 β-菱形硼 57
2.4.3 四方相硼 57
2.4.4 正交相γ-B28 58
2.5 硼團簇是尋找硼富勒烯的基礎 59
2.6 硼富勒烯及內嵌硼富勒烯 61
2.6.1 B80 61
2.6.2 B40 62
2.6.3 硼富勒烯固體相 64
2.7 硼納米管 65
2.8 硼納米線和納米帶 66
2.9 新型硼單層平面結構研究 67
2.10 硼烯（硼墨烯） 69
2.10.1 硼烯的發現及其結構 69
2.10.2 硼烯的應用 73
2.11 硼量子點 75
2.12 教學提示 76
學習思考題 77
參考文獻 78
第3章 碳元素單質的同素異形體 82
3.1 碳的一般介紹 82
3.1.1 碳的一般性質 82
3.1.2 碳在自然界中的存在 83
3.1.3 碳的發現和命名 83
3.1.4 碳的成鍵特征 85
3.2 石墨 86
3.2.1 一般介紹 86
3.2.2 結構 87
3.2.3 無定形碳 87
3.2.4 制備 88
3.2.5 柔性石墨 88
3.3 金剛石類 88
3.3.1 一般介紹 88
3.3.2 結構 89
3.3.3 金剛石的人工合成 90
3.4 富勒烯碳原子簇 93
3.4.1 一般介紹 93
3.4.2 碳富勒烯 93
3.4.3 碳納米材料 98
3.4.4 石墨烯 101
3.4.5 碳納米纖維 106
3.4.6 石墨炔 106
3.4.7 從富勒烯碳原子簇到金剛石的轉變 109
3.5 卡賓碳 109
3.5.1 漫長的研究史 110
3.5.2 結構 111
3.5.3 制備 112
3.5.4 應用 113
3.6 教學提示 113
學習思考題 114
參考文獻 115
第4章 硅元素單質的同素異形體 123
4.1 硅的一般介紹 123
4.1.1 硅的一般性質 123
4.1.2 硅在自然界的存在 124
4.1.3 硅的成鍵特性 124
4.1.4 硅的發現和命名 124
4.2 硅納米晶的不同物相類 125
4.2.1 一般介紹 125
4.2.2 制備和結構 125
4.2.3 應用 128
4.3 納米結構硅物質 129
4.3.1 硅納米線和硅納米帶 129
4.3.2 硅納米管 131
4.3.3 硅空心球 134
4.4 硅原子簇 134
4.4.1 Si10 135
4.4.2 mSi20 135
4.4.3 Si136和Si24 136
4.4.4 hP12-Si 136
4.4.5 Si40 136
4.4.6 Si60 137
4.4.7 Si80 137
4.4.8 Si96 138
4.5 硅烯 139
4.5.1 制備 139
4.5.2 結構 140
4.5.3 應用 141
4.6 教學提示 141
學習思考題 142
參考文獻 143
第5章 氮元素單質的同素異形體 148
5.1 氮的一般介紹 148
5.1.1 氮的一般性質 148
5.1.2 氮在自然界的存在 149
5.1.3 氮的發現和命名 149
5.1.4 氮的成鍵特征 150
5.2 氮的相圖 152
5.2.1 相圖的概念 152
5.2.2 氮的相轉變 152
5.3 氮單質的同素異形體 153
5.3.1 氮分子 153
5.3.2 聚合氮 157
5.3.3 金屬氮 165
5.3.4 原子簇氮 166
5.4 教學提示 171
學習思考題 172
參考文獻 172
第6章 磷元素單質的同素異形體 176
6.1 磷的一般介紹 176
6.1.1 磷的一般性質 176
6.1.2 磷在自然界的存在 176
6.1.3 磷的發現和命名 178
6.1.4 磷的成鍵特征 179
6.2 塊體磷 180
6.2.1 塊體磷不同物相的一般介紹 180
6.2.2 塊體磷的制備、結構和性質 182
6.3 磷納米材料 193
6.3.1 磷納米材料不同物相的一般介紹 193
6.3.2 零維磷納米材料 194
6.3.3 一維磷納米材料 199
6.3.4 二維磷納米材料 202
6.4 教學提示 218
學習思考題 218
參考文獻 220
第7章 砷元素單質的同素異形體 227
7.1 砷的一般介紹 227
7.1.1 砷的一般性質 227
7.1.2 砷的發現和命名 228
7.1.3 砷在自然界的存在 229
7.1.4 砷的毒性、污染及鑒定 229
7.2 塊體砷單質的研究進展 230
7.2.1 灰砷 230
7.2.2 黑砷 233
7.2.3 黃砷 235
7.3 新型砷單質的研究進展 239
7.3.1 一維結構砷單質 239
7.3.2 二維結構砷單質 240
7.3.3 籠狀及環狀砷單質 242
7.4 教學提示 244
學習思考題 245
參考文獻 246
第8章 氧元素單質的同素異形體 249
8.1 氧的一般介紹 249
8.1.1 氧的一般性質 249
8.1.2 氧在自然界的存在 249
8.1.3 氧的成鍵特性 250
8.1.4 氧的發現和命名 251
8.2 氣態氧 252
8.2.1 氧氣（O2） 252
8.2.2 臭氧（O3） 254
8.3 固態O2 256
8.3.1 一般介紹 256
8.3.2 固態O2的結構及性質 257
8.4 四聚氧（O4） 262
8.4.1 制備 262
8.4.2 結構與性質 263
8.5 教學提示 263
學習思考題 265
參考文獻 266
第9章 硫元素單質的同素異形體 268
9.1 硫的一般介紹 268
9.1.1 硫的一般性質 268
9.1.2 硫在自然界的存在 268
9.1.3 硫的成鍵特點 270
9.1.4 硫的發現和命名 271
9.2 硫的相圖 272
9.3 固態硫 274
9.3.1 環硫分子同素異形體 275
9.3.2 同素環硫的同素異形體 296
9.3.3 長鏈硫的同素異形體（聚合硫Sμ、Sψ和Sω） 298
9.4 氣態硫 301
9.4.1 S2的制備和結構 301
9.4.2 S3的制備和結構 301
9.4.3 S4的制備和結構 302
9.4.4 S5的制備和結構 302
9.4.5 其他氣態硫分子 302
9.5 液態硫 303
9.5.1 423 K以下的液態硫 303
9.5.2 432.4 K的液態硫 303
9.5.3 682 K以上的液態硫 303
9.5.4 不溶性硫黃 304
9.5.5 不溶性硫黃的制備 304
9.6 教學提示 306
學習思考題 306
參考文獻 307
第10章 硒元素單質的同素異形體 311
10.1 硒的一般介紹 311
10.1.1 硒的一般性質 311
10.1.2 硒在自然界的存在 311
10.1.3 硒的成鍵特性 312
10.1.4 硒的發現和命名 313
10.2 氣態硒 313
10.3 液態硒 314
10.4 固體硒 316
10.4.1 晶態硒 316
10.4.2 非晶態硒 319
10.5 納米硒 322
10.5.1 零維納米硒 323
10.5.2 一維納米硒 335
10.5.3 二維納米硒 341
10.5.4 三維納米硒 343
10.6 硒團簇 346
10.6.1 理論計算 346
10.6.2 實驗研究 348
10.7 教學提示 352
學習思考題 353
參考文獻 354
第0章 緒論 1
0.1 元素同素異形體之新定義 1
0.1.1 元素同素異形體概念的演變 1
0.1.2 對概念的一般理解 2
0.1.3 嚴格定義的探討 3
0.1.4 同素異形體與原子電子層結構的關系 3
0.1.5 同素異形體的穩定性判斷 4
0.2 元素同素異形體研究發展之原因 5
0.2.1 背景分析 5
0.2.2 元素同素異形體快速研究發展之條件 7
0.3 教學提示 19
學習思考題 20
參考文獻 21
第1章 氫元素單質的同素異形體 25
1.1 氫的一般介紹 25
1.1.1 氫的一般性質 25
1.1.2 氫在自然界的存在 26
1.1.3 氫的發現和命名 26
1.1.4 氫的成鍵特征 27
1.2 原子氫 28
1.3 氫氣 29
1.3.1 氫氣的制備 30
1.3.2 氫氣的用途 35
1.4 三原子氫 38
1.5 金屬氫 39
1.5.1 金屬氫的發現史 39
1.5.2 金屬氫的應用 43
1.6 反氫原子 45
1.6.1 反氫原子的定義和結構 45
1.6.2 反氫原子的研究發展史 45
1.7 教學提示 48
學習思考題 49
參考文獻 49
第2章 硼元素單質的同素異形體 52
2.1 硼的一般介紹 52
2.1.1 硼的一般性質 52
2.1.2 硼在自然界的存在 53
2.1.3 硼的發現和命名 53
2.1.4 硼的成鍵特征 54
2.2 硼的同素異形體簡介 55
2.3 無定形硼 55
2.4 晶態硼 56
2.4.1 α-菱形硼 56
2.4.2 β-菱形硼 57
2.4.3 四方相硼 57
2.4.4 正交相γ-B28 58
2.5 硼團簇是尋找硼富勒烯的基礎 59
2.6 硼富勒烯及內嵌硼富勒烯 61
2.6.1 B80 61
2.6.2 B40 62
2.6.3 硼富勒烯固體相 64
2.7 硼納米管 65
2.8 硼納米線和納米帶 66
2.9 新型硼單層平面結構研究 67
2.10 硼烯（硼墨烯） 69
2.10.1 硼烯的發現及其結構 69
2.10.2 硼烯的應用 73
2.11 硼量子點 75
2.12 教學提示 76
學習思考題 77
參考文獻 78
第3章 碳元素單質的同素異形體 82
3.1 碳的一般介紹 82
3.1.1 碳的一般性質 82
3.1.2 碳在自然界中的存在 83
3.1.3 碳的發現和命名 83
3.1.4 碳的成鍵特征 85
3.2 石墨 86
3.2.1 一般介紹 86
3.2.2 結構 87
3.2.3 無定形碳 87
3.2.4 制備 88
3.2.5 柔性石墨 88
3.3 金剛石類 88
3.3.1 一般介紹 88
3.3.2 結構 89
3.3.3 金剛石的人工合成 90
3.4 富勒烯碳原子簇 93
3.4.1 一般介紹 93
3.4.2 碳富勒烯 93
3.4.3 碳納米材料 98
3.4.4 石墨烯 101
3.4.5 碳納米纖維 106
3.4.6 石墨炔 106
3.4.7 從富勒烯碳原子簇到金剛石的轉變 109
3.5 卡賓碳 109
3.5.1 漫長的研究史 110
3.5.2 結構 111
3.5.3 制備 112
3.5.4 應用 113
3.6 教學提示 113
學習思考題 114
參考文獻 115
第4章 硅元素單質的同素異形體 123
4.1 硅的一般介紹 123
4.1.1 硅的一般性質 123
4.1.2 硅在自然界的存在 124
4.1.3 硅的成鍵特性 124
4.1.4 硅的發現和命名 124
4.2 硅納米晶的不同物相類 125
4.2.1 一般介紹 125
4.2.2 制備和結構 125
4.2.3 應用 128
4.3 納米結構硅物質 129
4.3.1 硅納米線和硅納米帶 129
4.3.2 硅納米管 131
4.3.3 硅空心球 134
4.4 硅原子簇 134
4.4.1 Si10 135
4.4.2 mSi20 135
4.4.3 Si136和Si24 136
4.4.4 hP12-Si 136
4.4.5 Si40 136
4.4.6 Si60 137
4.4.7 Si80 137
4.4.8 Si96 138
4.5 硅烯 139
4.5.1 制備 139
4.5.2 結構 140
4.5.3 應用 141
4.6 教學提示 141
學習思考題 142
參考文獻 143
第5章 氮元素單質的同素異形體 148
5.1 氮的一般介紹 148
5.1.1 氮的一般性質 148
5.1.2 氮在自然界的存在 149
5.1.3 氮的發現和命名 149
5.1.4 氮的成鍵特征 150
5.2 氮的相圖 152
5.2.1 相圖的概念 152
5.2.2 氮的相轉變 152
5.3 氮單質的同素異形體 153
5.3.1 氮分子 153
5.3.2 聚合氮 157
5.3.3 金屬氮 165
5.3.4 原子簇氮 166
5.4 教學提示 171
學習思考題 172
參考文獻 172
第6章 磷元素單質的同素異形體 176
6.1 磷的一般介紹 176
6.1.1 磷的一般性質 176
6.1.2 磷在自然界的存在 176
6.1.3 磷的發現和命名 178
6.1.4 磷的成鍵特征 179
6.2 塊體磷 180
6.2.1 塊體磷不同物相的一般介紹 180
6.2.2 塊體磷的制備、結構和性質 182
6.3 磷納米材料 193
6.3.1 磷納米材料不同物相的一般介紹 193
6.3.2 零維磷納米材料 194
6.3.3 一維磷納米材料 199
6.3.4 二維磷納米材料 202
6.4 教學提示 218
學習思考題 218
參考文獻 220
第7章 砷元素單質的同素異形體 227
7.1 砷的一般介紹 227
7.1.1 砷的一般性質 227
7.1.2 砷的發現和命名 228
7.1.3 砷在自然界的存在 229
7.1.4 砷的毒性、污染及鑒定 229
7.2 塊體砷單質的研究進展 230
7.2.1 灰砷 230
7.2.2 黑砷 233
7.2.3 黃砷 235
7.3 新型砷單質的研究進展 239
7.3.1 一維結構砷單質 239
7.3.2 二維結構砷單質 240
7.3.3 籠狀及環狀砷單質 242
7.4 教學提示 244
學習思考題 245
參考文獻 246
第8章 氧元素單質的同素異形體 249
8.1 氧的一般介紹 249
8.1.1 氧的一般性質 249
8.1.2 氧在自然界的存在 249
8.1.3 氧的成鍵特性 250
8.1.4 氧的發現和命名 251
8.2 氣態氧 252
8.2.1 氧氣（O2） 252
8.2.2 臭氧（O3） 254
8.3 固態O2 256
8.3.1 一般介紹 256
8.3.2 固態O2的結構及性質 257
8.4 四聚氧（O4） 262
8.4.1 制備 262
8.4.2 結構與性質 263
8.5 教學提示 263
學習思考題 265
參考文獻 266
第9章 硫元素單質的同素異形體 268
9.1 硫的一般介紹 268
9.1.1 硫的一般性質 268
9.1.2 硫在自然界的存在 268
9.1.3 硫的成鍵特點 270
9.1.4 硫的發現和命名 271
9.2 硫的相圖 272
9.3 固態硫 274
9.3.1 環硫分子同素異形體 275
9.3.2 同素環硫的同素異形體 296
9.3.3 長鏈硫的同素異形體（聚合硫Sμ、Sψ和Sω） 298
9.4 氣態硫 301
9.4.1 S2的制備和結構 301
9.4.2 S3的制備和結構 301
9.4.3 S4的制備和結構 302
9.4.4 S5的制備和結構 302
9.4.5 其他氣態硫分子 302
9.5 液態硫 303
9.5.1 423 K以下的液態硫 303
9.5.2 432.4 K的液態硫 303
9.5.3 682 K以上的液態硫 303
9.5.4 不溶性硫黃 304
9.5.5 不溶性硫黃的制備 304
9.6 教學提示 306
學習思考題 306
參考文獻 307
第10章 硒元素單質的同素異形體 311
10.1 硒的一般介紹 311
10.1.1 硒的一般性質 311
10.1.2 硒在自然界的存在 311
10.1.3 硒的成鍵特性 312
10.1.4 硒的發現和命名 313
10.2 氣態硒 313
10.3 液態硒 314
10.4 固體硒 316
10.4.1 晶態硒 316
10.4.2 非晶態硒 319
10.5 納米硒 322
10.5.1 零維納米硒 323
10.5.2 一維納米硒 335
10.5.3 二維納米硒 341
10.5.4 三維納米硒 343
10.6 硒團簇 346
10.6.1 理論計算 346
10.6.2 實驗研究 348
10.7 教學提示 352
學習思考題 353
參考文獻 354
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非金屬元素同素異形體綜論 節選
第0章 緒論 提要 本章作為全書非金屬元素單質研究進展敘述的基礎，首先介紹了同素異形體概念隨著科學技術的發展而發生的演變；接著簡要介紹了元素同素異形體研究發展飛速的原因，包括密度泛函理論對計算化學的推進及計算化學對新型同素異形體的預測，極端條件下進行化學合成反應成為可能，非金屬元素單質相圖研究進展對同素異形體合成的指導。 0.1 元素同素異形體之新定義 當今化學，日新月異。隨著化學理論和科學技術的發展，化學的許多概念和定義也隨之發生變化，它們的內涵也從模糊逐漸走向清晰、準確，外延也在變化、擴大。例如，人們根據經典的化合價理論，向來認為稀有氣體具有穩定的外層電子構型，一般不與其他元素化合，因此化合價一直被認為是0，還給它起了個老實巴交的名字“惰性氣體”。但是，1962年3月2日下午6時45分，英國年輕的化學家巴特列（N. Bartlett，1932～2008年）依據熱力學原理設計巧妙地在室溫條件下，把Xe(g)和PtF6(g) 混合后，就立即反應生成一種黃色的晶體─Xe[PtF6][1]： （0-1） Bartlett教授成為揭開稀有氣體化學新篇章的**人。此時及稍后，有關氙的氟化物制備如雨后春筍般被報道出來。至今合成的稀有氣體物質有數百種之多。顯然，隨著物質結構測定技術的進步、合成化學和量子化學的發展，人們認識的不斷深入，改變了化學家對化學鍵的概念。同樣，對元素同素異形體（elemental allotropy）的概念也存在與時俱進的問題。 0.1.1 元素同素異形體概念的演變 同素異形體（allotropes）的概念*早于1841年由瑞典科學家貝采里烏斯（J. J. Berzelius，1779～1848年）提出[2]。該術語出自希臘語，意為變異性[3]。在1860年阿伏伽德羅（A. Avogadro，1776～1856年）的原子學說被廣為接受后，人們開始認識到元素可以多原子分子的形式存在，氧的兩個同素異形體即被公認為O2和O3[4]。1912年，奧斯特瓦爾德（F. W. Ostwald，1853～1932年）提出元素的同素異形現象僅是已知化合物多態現象的一個特例，并提議棄用同素異形體和同素異形現象這兩個概念而用多形體（polymorph）和多形性（polymorphism）來代替[4]。盡管許多化學家遵從了這一提議，但國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）和大多數教科書仍支持同素異形體和同素異形現象這種說法[4-6]，現國內外主流無機化學教科書仍沿用此說法[7-19]。 0.1.2 對概念的一般理解 對同素異形體的一般理解是指由同樣的單一化學元素構成，但性質卻不相同的單質。同素異形體之間的性質差異主要表現在物理性質上，化學性質上也有著活性的差異。例如磷的兩種同素異形體紅磷和白磷，它們的著火點分別是240℃和40℃，充分燃燒之后的產物都是P4O10；白磷（P4）有劇毒，可溶于CS2，紅磷（Pn）無毒，卻不溶于CS2。此外，磷元素還有兩種同素異形體黑磷和紫磷，黑磷由白磷在12 000大氣壓下加熱轉化而成，其外觀像石墨，2014年被指出黑磷晶體具有石墨烯的結構，是直接帶隙半導體（即導帶底部和價帶頂部在同一位置），有可能成為新型非線性光學材料[20]。此外，黑磷還具有獨*的力學、電學和熱學的各向異性。紫磷可以通過多種方法制得，其結構為與黑磷不同的層狀結構。同素異形體之間在一定條件下可以相互轉化，這種轉化有的是一種化學變化（因為生成了新物質），例如 （0-2） 有的不是化學變化，例如： （0-3） 一般來說，判斷同素異形體間的轉變是化學變化還是物理變化，與判斷其他物質間轉變是相同的，可以觀察生成物與反應物的化學性質是否相同，相同是物理變化，不同是化學變化；也可以觀察生成物與反應物分子結構是否相同，相同是物理變化，不同是化學變化。 0.1.3 嚴格定義的探討 大多數教材和手冊都認為同一種元素形成同素異形體的方式有三種[21， 22]：①組成分子的原子數目不同，例如，氧氣（O2）和臭氧（O3）；②晶格中原子的排列方式不同，例如，金剛石、石墨和C60；③晶格中分子排列的方式不同，例如，正交硫和單斜硫。 問題出在第③點，引起了極為不同的觀點。例如：有人認為“同素異形體”與“多晶型體”是兩個不同的化學概念[23]，并從定義的出發點、結構單元、結合方式、存在狀態以及化學鍵參數給予了詳細區別；又有人提出“各種富勒烯能否互稱為同素異形體”[24]？ 實際上，上述第③點指的正是“多晶型體”這一概念。無論是德國化學家米切爾利希（E. Mitscherlich，1794～1863年）在1822～1823年開始使用“多晶型體”術語[25]，還是貝采里烏斯于1841年開始使用“同素異形體”術語[2]，都是對物質結構認識的深入。時至今日，隨著科學技術的不斷發展，人們對物質結構的認識更加準確，加之發現的同種元素組成的物質種類也越來越多，對術語的定義也越來越明確。我們認為，“同素異形體”包含了“多晶型體”的概念；當專門研究“同素異形體”中固體部分時，涉及更多的是分子中結構單元的空間排列，則使用“多晶型體”更好些。或者說前者的定義范圍廣些，后者是其中特指的一種。因此，我們建議從上述同素異形體形成方式出發，將其定義為“同一元素的不同形態的純單質互稱同素異形體”為好。這里包含著：同一種化學元素、不同形態（包括不同物態）、組成和結構（包括原子、分子、離子）確定的單質等信息。這就不會出現“單斜硫和斜方硫不是同素異形體”“富勒烯不能互稱為同素異形體”等看法。這里與文獻[23-25]的區別在于沒有認同“同素異形體的結構單元只能是同一元素的原子”的說法。 0.1.4 同素異形體與原子電子層結構的關系 同素異形體的形成與它們對應元素原子的電子層結構是密切相關的[26]。若在原子中含有2個或2個以上的未成對電子的非金屬元素，往往能形成多種同素異形體；如原子中只含有一個未成對電子的非金屬元素，它們的單質一般只形成X2型分子，而不存在同素異形體。如鹵素（ns2np5）就沒有同素異形體的存在。但硼（2s22pl）例外，晶態硼可能有16種同素異形體存在[27-29]；至于稀有氣體元素，因原子中不含未成對電子，故它們也都沒有同素異形體存在。這顯然與它們在形成純單質時的成鍵相關。在后面的敘述中，我們會看到同一種元素的原子就是因為成鍵不同而有多種同素異形體，例如碳，因為C原子有sp3、sp2、sp等雜化方式，可以形成如三維的金剛石、二維的石墨烯、一維的碳納米管、零維的富勒烯等結構。 0.1.5 同素異形體的穩定性判斷 純物質的熱力學穩定性是重要的性質，直接影響到制備、保存和應用各個環節。根據能量判據進行判斷，具有較低能量狀態的純物質形體更加穩定（圖0-1）。自然，物理化學中的能量判據形式與實際條件有關，例如吉布斯自由能變是等溫等壓化學變化的判據，亥姆霍茲自由能變是等溫等容化學變化的判據等。在熱力學中，標準摩爾生成焓（standard enthalpy of formation）可近似作為衡量標準狀況下某物質能量高低的標準。同素異形體的熱力學穩定性即可以依此判斷[30]。例如，對于碳的同素異形體的熱力學穩定性，理論和實驗結果均說明[31]，無論是C60還是C70都具有正的標準摩爾生成焓（表0-1，以石墨為參考態）；計算還說明不同碳原子數的富勒烯的標準摩爾生成焓，隨著碳原子數的增多，富勒烯的生成焓也越來越小（圖0-2）[32]；由實驗得到的碳納米管和石墨烯沒有一定的分子結構，其生成焓也不能完全確定，若將其結構類比為更多碳原子的富勒烯式結構，其生成焓仍然應當是正值[33]。直鏈碳炔的理論計算數據也說明其具有較大的標準摩爾生成焓[34]。 0.2 元素同素異形體研究發展之原因 0.2.1 背景分析 非金屬的同素異形體本身就是“材料的寶庫”之一（圖0-3）。鄭蘭蓀院士說過：化學的魅力主要還是能夠創造新物質，認識新物質，這些物質不但非常有用，本身也非常美妙。這個誘惑使得人們不斷努力進行研究。例如，一個國家工業金剛石的應用廣度和深度往往標志著這個國家的工業發展水平，而人造金剛石正是由高壓高溫合成制得的（圖0-4）[35]。然而，人們并不滿足于金剛石僅在石油開采、地質鉆探、機械加工以及國防工業中的重要應用（圖0-5），而是努力研發碳的其他形式的成鍵，果然就發現了碳元素的眾多原子軌道雜化狀態。不同的雜化態及其組合造就了眾多的同素異形體：金剛石是sp3雜化，石墨和單層石墨烯是sp2雜化，C60（富勒烯）和碳納米管是sp3+sp2雜化，石墨炔是sp2 + sp雜化，卡賓碳是sp雜化。于是乎，眾多的具有顯著潛在性能的碳材料就被發現和制備了，而且都是材料中的“明星”，在結構上構成了一個從三維、二維、一維到零維的完整系列。它們的性質可從*硬到極軟，從絕緣體、半導體到導體甚至超導體，從絕熱到良導熱體等。對它們的研究不僅豐富了碳的化學，而且具有誘人的應用前景，無一不受到國際化學及材料科學界關注，無時不掀起跟進熱潮。
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