金刚石和石墨的电子结构 [复制链接]

    电子结构指原子的外电子层结构，也称价电子层结构。外电子层或价电子层则是指原子核外的参与化学反应的那部分电子层，通常是最外层或者最外层与次外层。

1、  金刚石中碳原子的电子结构

    碳原子的电子层结构是1s²2s²2p_x¹2p_y¹
      ，碳原子相互结合成键时，原子轨道会发生变化。根据分子轨道理论，同一个原子中能级相近的各个轨道可以通过线性组合成为成键能力更强的新的原子轨道—杂化轨道。根据泡利杂化轨道理论，碳原子在反应时，激发一个2s电子到2p_z轨道上，这时碳原子电子层结构为1s²2s¹2p_x¹2p_y¹2p_z¹。如果外层的一个2s轨道和三个2p轨道组合形成四个新的轨道—sp³杂化轨道，形成过程如图1（a）。每个sp³杂化轨道具有1/4的s成分和3/4的p成分，形状相同，轨道对称轴间的夹角为109°28′。当碳原子之间相互成键时，碳原子之间形成定域σ键，就构成正四面体的金刚石结构。金刚石中的C—C键为0.145nm。             

2、  石墨中碳原子的电子结构

    激发一个2s电子到2p_z轨道上，导致碳原子电子层结构为1s²2s¹2p_x¹2p_y¹2p_z¹。如果此时碳原子中的一个2s轨道和2p_x，2p_y轨道重新组合形成新的等价的正三角形结构的杂化轨道时，任意两个杂化轨道对称轴之间的夹角为120°，这样的杂化轨道称为sp²杂化轨道，形成过程如图1（b）。不同碳原子的sp²杂化轨道互相以共价键结合成正六边形的平面网状结构。平面中每个碳原子与相邻的三个碳原子结合，形成三个定域的σ键。另外在每个碳原子的2p_z轨道上的一个电子由于需要沿三角形轨道与三个碳原子同时发生联系，不能形成定域键，而是自由地在整个平面层内的六角网上运动，相当于金属键，也称为离域π键或大π键（定域π键称为小π键）。这样平面层内C—C键为sp²杂化轨道形成的定域σ键叠加离域π键。而平面层间通过分子间力（范得华力）结合形成石墨结构。石墨平面内的C—C键长为0.142nm，比金刚石中的C—C键长短，因此键更强。             

    图1 sp³和sp²杂化轨道的形成过程示意图，见附件。

       （a）sp³   （b）sp²

[此贴子已经被作者于2007-11-17 15:38:15编辑过]