c60与c60的区别 (c60和c63的区别)

因为有必要,请读者和作者先一起复习一下C60分子“团”结构状态,后边再讨论C60与K3C60为代表的晶体结构,探索超导电性。

碳元素有两种常见的结晶态,石墨和金刚石,非晶态为碳黑,石墨烯只是单层石墨分子片。近年又发现以C60为代表的碳的分子团C50,C60,C70。形成以C原子为顶点的多边形构成的近球形的笼状结构。

C60可以认为是由石墨分子“片”演变而成。石墨分子是由C的六元环形成蜂窝状结构,必定平面展开。由于在C60分子中出现了C的五元环,化学键变化,平面转换成球面。见图(1)。

xc60和3系,c60和c63的区别

图(1),C60分子“团”结构图

以60个C原子为顶点构成足球状的多面体。每个C原子有两个单键,一个双键,与近临3个C原子键合,形成20个六边形和12个五边形的C60,六边形与五边形由共用边联结而成。每个六边形间隔的三边为双键,另三边为单键。五边形全是单键,与六边形单键共边。C60与石墨分子含金属键的化学键不同,没有金属键的自由电子存在,纯的C60结晶不导电。

已有报导C60多边形的双键的边长为0.138nm,单键的边长为0.147nm。也不知道这两个数据对不对,反正后面给出的近球形C60直径是错的。无论对错,下面的定性叙述是正确的。C的六元环是由双键边与单键边间隔构成,边长已不相等,即不是正六元环。而五元环因各边都是单键,边长相等,是正五元环。网上有报导笼形近球状C60的直径为0.71nm。经核实这个数据是错的。这是面心立方结构C60晶格常数a的1/2。面心立方的C60晶体在轴方向不是“球”碰“球”,晶格常数与C60直径也不是2倍关系。而实际上在面心立方晶胞的面对角线方向才是“球”碰“球”,是2倍直径关系。

下边的叙述利用相关报导数据,加上对C60分子团的认识及晶体学判断。

作为60个C原子构成的足球状多面体,可以近似成球体。C60的结晶就是以这种球状分子团作为结构单元(基元),以分子键形成等径球紧密推积。得到晶体X射线衍射实验数据证明。以ABCABC…堆积的面心立方相为主,也有ABAB…堆积的六方相。还有其它物相报导,有的可能不纯,有的已标出是非常温条件。在这种分子团晶体结构中,不能按晶格(周期性)考查C原子位置,而昰C60分子“球”符合周期性(晶格)。本文只讨论面心立方结构,也是面心立方晶格的C60结晶。只要把C60当成一个“大个的”金属原子(指形状),C60结晶与金属晶体面心立方结构同型,即(111)面是密排面,面对角线〈110〉方向是“球”碰“球”。已查得面心立方C60晶体的晶格常数a=1.416nm,Fm3m(225)空间群。(粉末衍射数据PDF号为44-558*。实验数据,星号表示数据可信度高)。面对角线长度为1.416×√2=2.0025nm。对应于两个C60直径,一个直径为1.0013nm。不是有报导的0.71nm,报导数据错误原因是认为晶格常数a是C60直径2倍。现在算出的结果还用了六方晶系C60晶体学数据作了旁证。六角晶胞晶格常数a正是C60直径(“球”碰“球”),查到报导a=1.003nm。

C60结晶为紧密堆积,形成八面体间隙和四面间隙。等径球紧密堆积已导出这样公式:当等径球数为n时,八面体间隙数=n,四面体间隙数=2n。对于面心立方晶体结构金属晶体,n就是金属原子数,对于C60结晶,n就是C60分子团数。对于面心立方的C60晶体结构每个晶胞有4个C60,即n=4。每个晶胞中形成的八面体间隙数为4,而四面体间隙数为8。一个C60面心立方晶胞的两种间隙之和为12。一个晶胞有4个基元K3C60,K原子正好是12,表明K原子填满八面体和四面体两种间隙。从报导的晶体数据看,K3C60空间群没变,还是Fm3m(225),晶格常数似乎稍有增大,a=1.424nm。(C60晶体a=1.416nm)。

有了C60直径可以计算出两种间隙的尺寸,从而判断碱金属原子K,Rb,Cs等及阴离子氯(Cl)碘(I)的占位状态。已有报导,K3C60,Rb3C60,(Rb,Cs)3C60晶体超导並呈现不同超导电性。查到一个报导的KC60的结构图。见图(2)。

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图(2).K3C60晶体结构图

这个结构图是从网上搬来的。由于投影图和立体图标的不规范,作者学习了好长时间才看明白。右图是K3C60面心立方晶胞沿C方向投影图,左图是晶胞图及K等碱金属原子占位图。右图中标出的数据(5,0,0)和(25,25,25)分别应是(0.5,0,0)和(0.25,0.25,0.25)。晶体学分数坐标习惯表示分别应是(1/2,0,0)和(1/4,1/4,1/4),即K等碱金属原子占位。分数坐标(1/2,0,0)占位,写全应该有4个点,称为K(2),这是八面体占位。这一占位好理解,就是晶胞棱的3个中点加1个体心位置。另一占位是四面体占位,原图称为K(1)的位置(1/4,1/4,1/4),应是8个位置,全写出分数坐标就相当于1/4和3/4的8种组合,麻烦。作者用一句不规范话说:相当于把面心立方晶胞等分成2×2×2的8个小立方体,每个小立方体的体心就是C60形成的正四面体间隙。

从几何上可以计算出C60结晶形成的八面体间隙和四面体间隙能容纳的原子与C60半径比。八面体间隙:

R(K)/R(C60)=0.414

四面体间隙:

R(K)/R(C60)=0.225

依据X射线衍射晶体学数据计算出的C60“球”的半径为0.5006nm(见前面计算得的直径为1.0013nm)。对于八面体间隙能容纳的原子半径为0.5006×0.414=0.2072nm,四面体间隙能容纳的原子半径为0.5006×0.225=0.1126nm。

已有报导说K3C60是离子化合物。K可以是一价正离子,而C60可以形成三价负离子。甚至有人把K3C60拆解为3个KC20,这是不可以的。本文不用这一认识,认为C60是分子,靠分子键形成面心立方结构分子晶体。K原子填在八面体间隙和四面体间隙中。关键就是要确定K是以原子半径还是金属半径存在于两种多面体间隙中。查表得到原子半径:

K:0.202nm

Rb:0.216nm

Cs:0.235nm

得出金属半径为:

K:0.227nm

Rb:0.247nm

Cs:0.265nm

可以看出金属半径比原子半径大,随着原子序数增高,金属半径也逐渐增大。在结构中,K的进入两种多面体间隙,产生了两大性能,一个是绝缘体变成了导体,另一个是在一定温度时成为超导体。由于金属原子半径较大,对C60晶体的八面体和四面体间隙都有向外張大作用。两种间隙大小不同,填入同样金属原子,张大的作用也不协同,引起C60晶格畸变,影响晶格振动,在特定温度下晶格振动为零,产生超导电性。被金属原子张开的密集多面体处于连通状态,形成金属键导电。填入K之后,原来C60既与K形成K3C60晶体又在晶体结构中起到“骨架”作用。

从上列三种碱金属原子半径可以看出,Rb原子和Cs原子半径分别依次增大,当占据C60晶体两种多面体间隙后都使多面体间隙拉的更大,由于两种多面体拉大程度不同,形成晶格畸变或对C60中的C原子影响也加大。这与K3C60晶体与Rb3C60晶体的晶格常数变化相一致。Cs3C60晶体学数据没查到。K2RbC60查到了(非常温条下),晶格常数也增大了。

诸位可以想,八面体间隙和四面体间隙,配位不同,间隙大小不同,占同种原子,两种间隙的动作无论收缩或张开绝不会协同,而C60又是打不破的“整体“。这种干扰作用就是影响晶格振动的主要根源,产生超导电性。金属半径越大。对晶格振动影响加大,升高超导转变温度。

在C60中的C原子的热运动可能有:沿C60球面切线方向振动;垂直球面方向振动;以C60球心作质心,形成晶格振动。这时很可能前两种振动被晶格振动压制吸收或忽略。碱金属加入结构严重地影响了C60晶格振动,而且随着原子半径增加,影响加大。请参考如下已有报导的超导转变温度数据:

C60化合K,Tc:18K

C60化合Cs、Rb,Tc:33K

C60化合Cl、I(碘),Tc:60K(负离子导电)

CI、I(碘)与C60结合不是本文讨论重点,也尝试着分析一下。在这类晶体中,CI的原子半径和共价半径相同,只有0.099nm,比两种多面体间隙都小。I(碘)的原子半径和共价为0.133nm。比八面体间隙小,比四面体间隙大。至于离子半径除了一价的稍大一些,其余都是差一个数量级的小。总体看,这些原子不但进入八面体间隙和四面体间隙,还会以这些间隙连成通道,形成正电荷的负离子导电(可能是快离子导体),使晶体成为导体。由于离子半径小,在动态进入多面体间隙时,应该不在多面体中心,向某一方向靠近,並且两种多面体的畸变也不协同,引起C60形成的多面体更大的变形。也可能有大于四面体间隙负离子,影响C60“骨架”的晶格振动更严重,晶格振动在较高温度时为零,使Tc更高。通过分析判断,使作者有个认识:离子导电的电阻也来自晶格振动对离子散射,产生电阻,能量消耗?

这里的分析判断是探索讨论,抛砖引玉,希望“八九点钟的太阳”们去深入研究。还是那句话:晶体结构和晶格状态影响晶格振动。在某一温度时,干扰对抗钉扎晶格振动,使晶格振动为零,呈现超导。这种作用越强烈超导转变温度越高。C60掺碱金属和负离子卤素原子证明遵循这一规律。以前的高温超导体也符合这一规律。

下面说说C60的多晶X射线衍射,也是把C60看成“大个的”原子的依据。将C60衍射峰的衍射指数和面心立方金属Cu的衍射指数作对比。除了C60没有(200)、(400)…之外,二者衍射指数及出现序列相同(仅限于现在查的数据)。为什么作为“同型”结构C60没有(200)多级衍射(消光)?这个问题准确回答有困难。叙述一下吧:C60晶体X射线衍射多了一个结构层次,原本是电子对X射散射,接下来实现原子的散射,最后就是晶体结构对X射线衍射。C60晶体在原子散射和晶体结构衍射之间多了一个C60原子团的散射,即C60不同位置C原子散射干涉形成散射强度空间分布,可能影响了C60晶体的(200)、(400)…多级衍射。道理是对的,然而真实原因不一定是这样。这个问题也留给“八九点钟的太阳”们去讨论吧。