基本介紹
- 中文名：氣態碳分子
- 外文名：gaseous carbon molecules
- 分類：分為兩類
- 條件：在2400-2700K下
簡介,新發現,
簡介
氣態碳分子 (gaseous carbon molecules)
小分子也存在於炭素材料在高溫下所產生的蒸氣中。構成大分子的碳原子數隻為偶數。這類大分子後來確認是富勒碳。通常，氣態碳分子不包括富勒碳，僅指存在於碳蒸氣中的小分子；蒸氣冷凝後即變為其他形態的碳，而不復存在；除非在極低的溫度下，如在4K下，凝固在固態氬中。富勒碳自蒸氣中冷凝，在固態下仍保持原有分子結構。
在2400-2700K下，處於平衡狀態的碳蒸氣中，碳分子以C1、C2、C3為主，分子比約為：1：0.5：1.6。在碳的三相點附近(見碳相圖)，4100K下，平衡蒸氣中C1、C2、C3、C4、C5的分子比約為：1.0：6.4：16：1.7：3.2。碳蒸氣中C3所占份量最大。n>5的分子也存在於碳蒸氣中，但數量甚微。在20世紀60年代即記錄下這些碳離子的豐度分布；80年代中期得到的石墨蒸氣中碳離子的豐度分布。
新發現
在宇宙空間發現氣態的鏈狀碳分子。
C2存在於碳星、太陽及彗星之中。C2在很多化學反應中生成，如碳氫化合物在極度放熱的脫氫反應中，或在極高的溫度下都產生C2。
C3也存在於彗星中。
C3在石墨管爐散發的蒸氣及氧一乙炔火焰中都發現有C3。在甲烷中放電也產生C3。
結構Cn的結構有鏈狀和環狀兩種。鏈狀結構又有(a)累積烯型：碳原子之間由雙鍵連線，如：
C=C=C=C；(b)炔型：碳原子之間由交替的叄鍵和單鍵連線，如：C-C≡C-C≡C。只有n為偶數時炔型結構才有可能。石墨蒸氣中n≤9的分子一般都呈鏈狀，n≥10時呈環狀。從分子能量的角度來看，C4、C5、C8的結構有環狀和鏈狀兩種；環狀是基態，能量較低；但鏈狀與環狀的能量差很小，只有0.1-0.2eV/原子，在石墨的平衡蒸氣所處的高溫環境中卻仍以鏈狀的形式存在。環狀分子的變形能，Es隨n的增大而變小：
Es≈7500/n
n越大越容易生成環狀結構。Cn(n=2～10)的最穩定的結構形式及其鍵長和鍵角。
C2分子的基態結構很特別，碳原子之間的連鍵不是：C=C：，也不是·C=C·，而是如圖4所示。
碳原子之間沒有σ鍵，而是由兩個π鍵結合在一起，在物質結構上獨樹一幟。這種表示法由中國徐光憲教授提出。這樣的結構與C2的光譜項、∑g、相符合，其他形式的結構則與光譜實驗事實不符。
性能在鏈狀分子中有(2n-2)個π電子，環狀分子中有2n個π電子。鏈狀分子(n=1～9)的生成熱△H。0及C-C鍵能Ec-c見表。Cn分子的電子親和勢E.A.。含有奇數個碳原子的鏈狀分子，其生成熱都低於相鄰的由偶數個原子組成的分子，所以奇數分子容易生成。碳蒸氣中C1、C3、C5多於相鄰的C2、C4、C6同樣，C-C鍵能也表明：奇數分子的平均鍵能大於相鄰的偶數分子，因而也表明奇數分子較為穩定。這一現象稱為奇偶交替。氣態碳分子的電子親和勢及其正負離子的豐度也清楚地顯示出這種交替現象。
Cn鏈狀分子的生成熱△H及平均鍵能Ec-c(kJ/moL)
