在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳 是碳的几种同素异形体。
金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键； 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键； 无定形碳和碳黑都是微晶石墨。 富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂 化轨道成键(3条键) ；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915); 线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。 其稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。
金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可
分为两类:
★石墨转化法
C(石墨)
C(金刚石)
△rHm＝1.828±0.084 kJ·mol－1 △rGm＝2.796 kJ·mol－1
△rSm＝－3.25±0.02 kJ·mol－1 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但根据△rGm＝ △rHm＋T△rSm可见，在高温和高压(由疏松到致密)下可能实 现这种转化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。
6
B成键形式 sp3杂化4个单键
价键结构 正四面体
化合物举例 BF4-
sp2杂化3个单键 平面三角形 BX3, H3BO3
多中心缺电子键 （3c-2e键）
最高配位数
笼型、巢型、 蛛网型、敞网型
BnHn+2 , BnHn+4
BnHn+6
4
自相
B-B C-C Si-Si
成键 键能/kJ.mol-1 293 346 222
动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被 冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该 法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制， 但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金 刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。
★气相合成法(CVD法)
气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上 的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的 甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚 石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态， 甲基自由基分解后便以金刚石的形式析出。
第四章
碳硅硼
§4-1 碳硅硼的结构特征 §4-2 碳硅硼单质 §4-3 氢化物 §4-4 碳硅硼的氧化物及含氧酸盐 §4-5 卤化物 §4-6 有机硅化合物
§4-1 碳硅硼的结构特征
1-1 原子结构
元素 性质 元素符号 原子序数 价层电子构型 主要氧化数 共价半径/pm 电负性(Pauling)
双键
C=
石墨COCl2,C2H4 , C6H6
sp杂化： 1个单键1个叁键
1个叁键1个孤电子对
最高配位数
直线形 直线形
—C≡ C2H2, HCN :C≡ CO
4
Si成键形式 Si价键结构 化合物举例
sp3杂化 sp3d2杂化
正四面体 八面体
Si,SiO2 , SiF4 , SiH4 SiF62-
最高配位数
B-H C-H Si-H
键能/kJ.mol-1 389 411 318
与
氢氧氟
B-O C-O Si-O
键能/kJ.mol-1 561 358 452
成键
B-F C-F Si-F 键能/kJ.mol-1 613 485 565
碳硅硼的结构特征比较 1、碳与硅比较 2、硼与硅比较 3、碳与硼比较
C与Si相似性与差异性
④碳氢化物CnH2n+2 ，n很大，几乎可以无限扩大,而 SinH2n+2最高 n=15 ;
差别的原因：
①C—最高配位数为4，Si—最高配位数为6； ②Si-Si间形成共价键的倾向远不及C-C，此外
C＝C、C≡C是司空见惯，而Si＝Si、Si≡Si实 属罕见； ③C与O成双键甚至叁键，而Si不能，因此CO2 是小分子，而SiO2是巨型分子。
B与Si的相似性
1) 在自然界中，二者都是以含氧化合物存在； 2) 二者在单质状态下都有半导体的性质； 3) B-O键和Si-O键都很稳定； 4) 氢化物多种多样，都有挥发性，且可自燃（在空气
中），并能水解； 5) 卤化物均易水解； 6) H3BO3、H4SiO4都是弱酸，都能形成多酸盐，结构
都很复杂 7) 氧化物都能熔解金属氧化物，生成特殊颜色的盐
1) 相似性：
①皆不易形成+4价离子，而主要以共价键存在；
②单质皆不活泼；
③都能与H—AH4、Cl— ACl4、O—AO2 ； 2) 差异性：
① CH4极稳定，不与酸碱反应，而4极易水解;
③ CO2是气体， SiO2是熔点极高的固体；
分子晶体
原子晶体
1 金刚石
天然：主要产地—南非、扎伊尔等国。1905年在 南非发现了一颗重3106克拉(钻石的重量单位 1carat=0.2 g)。1977年在山东省临沭县也发 现了一颗大金刚石，重158.97克拉。 世界上重量大于1000克拉的钻石只有２粒。
金刚石主要用于精密机械制造、电 子工业、光学工业、半导体工业及化学 工业。天然金刚石稀少，只限于用作装 饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳 素材料中的重要研究开发领域。
石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。
静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产
生3～10 GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔 加热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的 高温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设 备技术要求高。
动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。
碳
C 6 2s22p2 +4,+2 77 2.25
硅
Si 14 3s23p2 +4(+2) 118 1.90
硼
B 5 2s22p1 +3 82 2.04
1-2 碳硅硼的结构特征
C成键形式 sp3杂化4个单键
C价键结构 正四面体 C
化合物举例 金刚石,CH4,CCl4
sp2杂化2个单键1个 平面三角形
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§4-2 碳硅硼单质
2-1 无机碳化学 2-2 硅的同素异形体 2-3 硼的同素异形体
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2-1 无机碳化学
有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合 成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原 子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单 质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。