探索同素異形體的神秘世界
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同素異形體是什么？
同素異形體是指由相同的單一化學(xué)元素組成的單一物質(zhì)，由于排列方法不
同，性質(zhì)也不同。什么是同素異形體？看小邊的安排！
同，性質(zhì)也不同。什么是同素異形體？看小邊的安排！
碳
碳同素異形體包括金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔；
它們的不同性質(zhì)是由不同的微觀結(jié)構(gòu)決定的。
它們的不同性質(zhì)是由不同的微觀結(jié)構(gòu)決定的。
（1）金剛石
金剛石呈正四面體空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，碳原子之間形成共價鍵。切割或熔
化時，需要克服碳原子之間的共價鍵。金剛石是自然界已知物質(zhì)中硬度最
高的材料，熔點較高。金剛石廣泛應(yīng)用于機械、電子、光學(xué)、傳熱、軍事、
航空航天、醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。
化時，需要克服碳原子之間的共價鍵。金剛石是自然界已知物質(zhì)中硬度最
高的材料，熔點較高。金剛石廣泛應(yīng)用于機械、電子、光學(xué)、傳熱、軍事、
航空航天、醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。
（2）石墨
石墨是一種層狀結(jié)構(gòu)，層中的碳原子排列成平面六邊形。每個碳原子與其
他碳原子結(jié)合三個共價鍵。同一層中的離域電子可以在整個層中移動，層
之間的碳原子結(jié)合分子間力(范德華力)。石墨是一種灰黑色、不透明、有
金屬光澤的晶體。天然石墨耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，導(dǎo)電性好
，摩擦系數(shù)小。石墨被廣泛用作電極、榛子、刷子、潤滑劑、鉛筆等。
他碳原子結(jié)合三個共價鍵。同一層中的離域電子可以在整個層中移動，層
之間的碳原子結(jié)合分子間力(范德華力)。石墨是一種灰黑色、不透明、有
金屬光澤的晶體。天然石墨耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，導(dǎo)電性好
，摩擦系數(shù)小。石墨被廣泛用作電極、榛子、刷子、潤滑劑、鉛筆等。
（3）富勒烯
富勒烯（Fullerene) 它是發(fā)現(xiàn)單質(zhì)碳的第三種同素異形體。任何由碳組成
的物質(zhì)，如球形、橢圓形或管狀結(jié)構(gòu)，都可以稱為富勒烯，富勒烯是指一
種物質(zhì)。最初的研究表明，富勒烯化合物具有抗艾滋病毒、抑制酶活性和
切割DNA的作用。、在光動力學(xué)治療等方面具有獨特的功效。
的物質(zhì)，如球形、橢圓形或管狀結(jié)構(gòu)，都可以稱為富勒烯，富勒烯是指一
種物質(zhì)。最初的研究表明，富勒烯化合物具有抗艾滋病毒、抑制酶活性和
切割DNA的作用。、在光動力學(xué)治療等方面具有獨特的功效。
(4)碳納米管
作為一維納米材料，碳納米管重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，機械、電氣
和化學(xué)性能異常。近年來，隨著碳納米管和納米材料的深入研究，其廣闊
的應(yīng)用前景不斷顯現(xiàn)。
和化學(xué)性能異常。近年來，隨著碳納米管和納米材料的深入研究，其廣闊
的應(yīng)用前景不斷顯現(xiàn)。
（5）石墨烯
石墨烯（Graphene）由碳原子組成的二維晶體只有一層原子厚度。
目前，石墨烯最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微晶體管來生產(chǎn)
未來的超級計算機。如果用石墨烯代替硅，計算機處理器的運行速度會快
幾百倍。
未來的超級計算機。如果用石墨烯代替硅，計算機處理器的運行速度會快
幾百倍。
石墨烯幾乎完全透明，只吸收2.3%的光線。另一方面，它非常致密，即使
是最小的氣體原子(氫原子)也無法穿透。這些特性使其非常適合透明電子產(chǎn)
品的原材料，如透明觸摸屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
是最小的氣體原子(氫原子)也無法穿透。這些特性使其非常適合透明電子產(chǎn)
品的原材料，如透明觸摸屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
（6）石墨炔
石墨炔是繼富勒烯、碳納米管和石墨烯之后的一種新型全碳納米結(jié)構(gòu)材料。
它具有豐富的碳化學(xué)鍵、較大的共炔系統(tǒng)、較寬的表面間距和優(yōu)異的化學(xué)
穩(wěn)定性。它被認為是合成二炔碳最穩(wěn)定的同素異形體。石墨炔有望廣泛應(yīng)
用于電子、半導(dǎo)體和新能源領(lǐng)域，因為其特殊的電子結(jié)構(gòu)和類似硅的優(yōu)異
半導(dǎo)體性能。
它具有豐富的碳化學(xué)鍵、較大的共炔系統(tǒng)、較寬的表面間距和優(yōu)異的化學(xué)
穩(wěn)定性。它被認為是合成二炔碳最穩(wěn)定的同素異形體。石墨炔有望廣泛應(yīng)
用于電子、半導(dǎo)體和新能源領(lǐng)域，因為其特殊的電子結(jié)構(gòu)和類似硅的優(yōu)異
半導(dǎo)體性能。
氧
氧氣同素異形體有氧，臭氧，四聚氧，八聚氧。
（1）氧氣
氧，化學(xué)O2，32.00，是一種無色無味的氣體，也是氧氣最常見的單質(zhì)形
式。熔點為218.4℃，沸點為-183℃。液體氧氣為天藍色，固體氧氣為藍
色晶體。并且不易溶于水，1L水可溶于約30毫升氧氣。氧氣約占空氣的
21% 。室溫不是很活潑，很多物質(zhì)都不容易工作。但是在高溫下，它非
常活潑，可以直接與各種元素結(jié)合，這與氧原子的電負僅次于氟有關(guān)。
式。熔點為218.4℃，沸點為-183℃。液體氧氣為天藍色，固體氧氣為藍
色晶體。并且不易溶于水，1L水可溶于約30毫升氧氣。氧氣約占空氣的
21% 。室溫不是很活潑，很多物質(zhì)都不容易工作。但是在高溫下，它非
常活潑，可以直接與各種元素結(jié)合，這與氧原子的電負僅次于氟有關(guān)。
（2）臭氧
臭氧（O₃）又稱超氧，是氧氣（O₂）同素異形體。常溫下是一種淡藍色
氣體，氣味特殊。臭氧主要存在于離地球表面20~35公里的同溫層下的臭
氧層中。在常溫常壓下，穩(wěn)定性差，可以自行分解成氧氣。臭氧有草的味
道，吸入少量對人體有益，過量吸入對人體健康有害(不易燃、純凈)。氧
氣可以通過電擊變成臭氧。
氣體，氣味特殊。臭氧主要存在于離地球表面20~35公里的同溫層下的臭
氧層中。在常溫常壓下，穩(wěn)定性差，可以自行分解成氧氣。臭氧有草的味
道，吸入少量對人體有益，過量吸入對人體健康有害(不易燃、純凈)。氧
氣可以通過電擊變成臭氧。
(3)四聚氧(又稱臭氧)
從兩種中性分子O4來看，O4的預(yù)期結(jié)構(gòu)是正四面體或矩形。、正一價格
分子O4+和負一價格分子O4-基態(tài)電子結(jié)構(gòu)根據(jù)最低能量原則確定各自的
結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得O4分子2結(jié)構(gòu)的基態(tài)總能量、一價格電離能和電子親
和力。與氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的計算結(jié)果相比，O4分子
可以以正方形結(jié)構(gòu)或正四面體結(jié)構(gòu)的形式存在，其中正方形結(jié)構(gòu)更有可能
是O4分子的真實空間結(jié)構(gòu)。
分子O4+和負一價格分子O4-基態(tài)電子結(jié)構(gòu)根據(jù)最低能量原則確定各自的
結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得O4分子2結(jié)構(gòu)的基態(tài)總能量、一價格電離能和電子親
和力。與氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的計算結(jié)果相比，O4分子
可以以正方形結(jié)構(gòu)或正四面體結(jié)構(gòu)的形式存在，其中正方形結(jié)構(gòu)更有可能
是O4分子的真實空間結(jié)構(gòu)。
四聚氧氧氧化性極強，在單質(zhì)中氧化性最強，遠遠超過氟、二氟化氪、各
種氟化氧等已知的超氧化劑。它可以直接反應(yīng)大多數(shù)物質(zhì)甚至一些稀有氣
體。最近甚至使用了O4和氬（Ar）一氧化氬是一種非常不穩(wěn)定的直接化合
物。（ArO）。
種氟化氧等已知的超氧化劑。它可以直接反應(yīng)大多數(shù)物質(zhì)甚至一些稀有氣
體。最近甚至使用了O4和氬（Ar）一氧化氬是一種非常不穩(wěn)定的直接化合
物。（ArO）。
(4)八聚氧(又名ε氧/紅氧）
四聚氧的分子式為O₄，正常大氣壓力形成54.36K(-218.79)°C）接下來。固
體氧是一種淺藍透明的物質(zhì)，因為它像液體氧一樣吸收紅光。氧分子在分
子磁化中磁化。（molecular magnetization）它與晶體結(jié)構(gòu)、電子布局和超
導(dǎo)電性的關(guān)系引起了人們的關(guān)注。氧分子是唯一能承受磁矩的簡單雙原子分
子(通常只有少數(shù)分子能承受磁矩)。它被認為是“自旋控制”（spin-controlled
）“晶體，因此表現(xiàn)出不尋常的磁性規(guī)律。在極高的壓力下，固體氧從熱絕
緣材料變成金屬；在極低的溫度下，它甚至可以成為超導(dǎo)體。固體氧氣的結(jié)
構(gòu)研究始于20世紀20年代，六種不同的晶體相已經(jīng)確定。
體氧是一種淺藍透明的物質(zhì)，因為它像液體氧一樣吸收紅光。氧分子在分
子磁化中磁化。（molecular magnetization）它與晶體結(jié)構(gòu)、電子布局和超
導(dǎo)電性的關(guān)系引起了人們的關(guān)注。氧分子是唯一能承受磁矩的簡單雙原子分
子(通常只有少數(shù)分子能承受磁矩)。它被認為是“自旋控制”（spin-controlled
）“晶體，因此表現(xiàn)出不尋常的磁性規(guī)律。在極高的壓力下，固體氧從熱絕
緣材料變成金屬；在極低的溫度下，它甚至可以成為超導(dǎo)體。固體氧氣的結(jié)
構(gòu)研究始于20世紀20年代，六種不同的晶體相已經(jīng)確定。
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