1.3.4. 富勒烯（亦稱巴基球）

富勒烯是上世紀(jì)80年代人們對(duì)碳原子簇研究新發(fā)現(xiàn)的碳原子結(jié)構(gòu)。早在20世紀(jì)70 年代就有人設(shè)想過(guò)碳的球分子的存在。 1985 年，克羅托等人在用激光轟擊石墨靶，做碳的氣化試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種 60 個(gè)碳原子組成的穩(wěn)定的原子簇，用質(zhì)譜檢驗(yàn)，它具有 720 個(gè)原子質(zhì)量單位，即由60個(gè)碳原子組成，簡(jiǎn)寫為 C60。并提出了C60的結(jié)構(gòu)為 20 個(gè)正六角環(huán)和 12 個(gè)正五角環(huán)組成的籠形結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)正五角環(huán)為正六角環(huán)所分隔開，其后又發(fā)現(xiàn)大多數(shù)偶數(shù)碳原子簇都可以形成封閉籠形結(jié)構(gòu)，其五角環(huán)數(shù)恒定為 12 個(gè)，而六角環(huán)數(shù)則因籠的大小而定。五種最典型的穩(wěn)定化的富勒烯結(jié)構(gòu)示于圖 1-4 。

單個(gè)C60分子的對(duì)稱性很高，人們將其描述為平截正20面體形成的32面體，直徑為7.1 ?。 C60 的共有 60 個(gè)頂角，每一個(gè)頂角為兩個(gè)正六角環(huán)和一個(gè)正五角環(huán)的聚會(huì)點(diǎn)，在每一個(gè)頂角上有一個(gè)碳原子，每個(gè)碳原子以二個(gè)單鍵、一個(gè)雙鍵與相鄰的三個(gè)碳原子相連結(jié)。每一個(gè)六角環(huán)，C與C之間以sp3雜化軌道形成共軛雙鍵，而在籠的內(nèi)外表面都被π電子云所覆蓋。整個(gè)分子是芳香性的。

 C70的結(jié)構(gòu)為 12 個(gè)五角環(huán)和 25 個(gè)六角環(huán)圍成的一個(gè)37面體，碳原子占據(jù) 70 個(gè)頂角位置，有的是兩個(gè)六角環(huán)和一個(gè)五角環(huán)的聚會(huì)點(diǎn)，有的為三個(gè)六角環(huán)的聚會(huì)點(diǎn)。

最近報(bào)導(dǎo)有 C76 、C84 也為穩(wěn)定分子，并認(rèn)為還可能存在如 C180、 C240等碳原子數(shù)更大的富勒烯成員。

1.3.5. 碳的結(jié)構(gòu)形式與雜化軌道理論

碳原子的電子構(gòu)型為1s22s22px12py12pz，其中1s軌道中的兩個(gè)電子不參與成鍵。由能量較低的2s軌道與能量較高的3個(gè)2p軌道進(jìn)行雜化，形成4個(gè)簡(jiǎn)并（即能量相同的）的sp3雜化軌道（sp3-hybrid orbital）。每個(gè)sp3雜化軌道含有1/4的s軌道成分，3/4的p軌道成分，其能量高于2s軌道，低于2p軌道。sp3雜化軌道的形狀如圖所示，四個(gè)簡(jiǎn)并的sp3雜化軌道采取相互盡可能遠(yuǎn)離的方式在空間排布，從而減少電子間的相互排斥作用，即形成四面體結(jié)構(gòu)，sp3雜化軌道間的夾角為109.5°。每個(gè)sp3雜化軌道上各排布一個(gè)自旋平行的電子。

碳的2s和2p軌道還可以進(jìn)行sp2雜化，即一個(gè)2s軌道和兩個(gè)2p軌道雜化，形成三個(gè)簡(jiǎn)并的sp2雜化軌道（sp2-hybrid orbital）。每個(gè)sp2雜化軌道含有1/3的s軌道成分，2/3的p軌道成分，其能量高于2s軌道，低于2p軌道。單個(gè)sp2雜化軌道的形狀類似于sp3雜化軌道。由于電子間的相互排斥作用，3個(gè)sp2雜化軌道處于相互遠(yuǎn)離的方向，即分別伸向平面三角形的3個(gè)頂點(diǎn)，因此軌道間夾角為120o，處于同一個(gè)平面上。余下一個(gè)2pz軌道垂直于sp2雜化軌道平面。3個(gè)sp2雜化軌道與1個(gè)2pz軌道的空間排布如下圖所示。

碳的2s和2p軌道還可以進(jìn)行sp2雜化，即一個(gè)2s軌道和兩個(gè)2p軌道雜化，形成三個(gè)簡(jiǎn)并的sp2雜化軌道（sp2-hybrid orbital）。每個(gè)sp2雜化軌道含有1/3的s軌道成分，2/3的p軌道成分，其能量高于2s軌道，低于2p軌道。單個(gè)sp2雜化軌道的形狀類似于sp3雜化軌道。由于電子間的相互排斥作用，3個(gè)sp2雜化軌道處于相互遠(yuǎn)離的方向，即分別伸向平面三角形的3個(gè)頂點(diǎn)，因此軌道間夾角為120o，處于同一個(gè)平面上。余下一個(gè)2pz軌道垂直于sp2雜化軌道平面。3個(gè)sp2雜化軌道與1個(gè)2pz軌道的空間排布如下圖所示。