金钢石与石墨等的结构考查

碳,元素符号C,位于元素周期表第6位。原子量比氮弱一级,比硼高一级,活跃性接近气体。碳原子以太旋涡构成的同素异形体之一的金刚石,结构稳定,有最高的硬度;碳还是煤、石油的主要成分;也是地球生命的遗传物质DNA最重要的基础。因此专门作一小节说明其分子以太旋涡的特性。

在地球环境下,由碳元素构成的同素异形体,如金刚石、石墨,由实验测得有几近最高熔点与沸点。通过上面“固体结构”小节可知,熔点与沸点分别源于最大同旋异极吸附作用与最大的范德华力。这两者是相互印证的,即熔点高,表明同旋异极吸附作用强,而同旋异极吸附作用强,也表明熔点高。沸点与范德华力之间的关系也是如此。

最大的同旋异极吸附作用,与最大的范德华力相互作用的结果,使碳原子以太旋涡在形成分子链时,会展现出最强的内聚性,即原子以太旋涡之间最强的向内收缩的趋势。这带来了同是碳元素构成的不同结构的碳分子以太旋涡有不同的物理特征,表现为丰富多彩的碳元素的同素异形体。这里用金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管这些碳的同素异形体为例,用原子耦合结构原理,来说明其有别于当下科学界的关于碳分子结构的认识。

金刚石

金刚石是人类已知的最高硬度的物质。在经典分子结构模型中,金刚石,被描绘成大略是六边型,通过原子键链接实现碳原子间整体构成空间结构形态,通过新的原子模型是一个以太旋涡空运动形态,与化学键是原子耦合结构,及范德华力是次生以太旋涡力场梯度分布可知,金刚石经典结构模型,是一个错误的分子模型。

碳原子以太旋涡之间,有最大的同旋异极吸附作用,当无数的碳原子处于熔点与沸点之间的温度,并极高的压强时--如此温度会让碳元素原子以太旋涡构成的物质处于液态或半液态,而极高的压强可以克服原子以太旋涡之间范德华力的排斥作用,很容易形成众多很长的分子长链,这个分子长链表达为碳分子次生以太旋涡。

随着温度下降接近熔点时,次生以太旋涡的活跃性也下降,分子长链的范德华力的在高压强协助下,其吸引作用开始显著影响次生以太旋涡的结构,表现为很强的向内收敛趋势,即内聚性。

如此结果导致分子长链产生扭曲螺旋形态,扭曲螺旋形态的分子长链之间通过范德华力结合在一起,再通过结晶运动吸引游离的碳原子以太旋涡不断生长,就是众多的双螺旋结构结构体,冷却到熔点以下的温度之后,众多双螺旋结构碳分子长链之间再次相互通过范德华力强力结合在一起,表达到结构强度极高的碳晶体,即金刚石。

石墨

同理于金刚石经典分子结构模型,石墨、C60、碳纳米管等经典分子结构模型也都是一个错误模型。

当环境的温度与压强比形成金刚石时的温度与压强低一个层次,比如短时高温及常压状态下,如自然界的闪电击中树木,众多碳原子以太旋涡之间只形成碳分子短链,而分子短链的次生以太旋涡之间由于常压不能克服范德华力的排斥作用,于是只由首尾相吸,形成碳分子环结构。

无数这样的碳分子环相互通过范德华力的吸引作用结合在一起,就是层片状的碳晶体,即石墨。

富勒烯

富勒烯(Fullerene) ,是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成,以球状,椭圆状,或管状结构存在的物质,都可以被叫做富勒烯,富勒烯指的是一类物质。

同样道理,也是因环境温度、压强及作用时间不同,单条碳分子长链若以扭曲螺旋形态首尾相吸,就形成球形态的次生分子以太旋涡,这就是以C60为代表的众多碳原子球结构体,即富勒烯的结构。

富勒烯是一个球形体,其中碳原子的多寡,由原碳分子长链中的碳原子数决定。

碳纳米管

碳纳米管其实是富勒烯的长条形态。

在一定温度、压强下,当碳分子长链扭曲形成螺旋形态后,临近碳原子之间的范德华力相互吸引作用,导致整个碳分子长链向内收敛成弹簧结构形态,这就是碳纳米管。