邓耿　尉志武

(清华大学化学系　北京 100084)

碳元素同素异形体的稳定性

邓耿尉志武*通讯联系人，E-mail：yuzhw@mail.tsinghua.edu.cn

(清华大学化学系北京 100084)

摘要碳元素有多种同素异形体，其稳定性可根据能量判据进行判断。一般认为，石墨是标准状况下碳元素最稳定的同素异形体，其标准摩尔生成焓被定为参考值0kJ/mol。近来亦有研究说明金刚石在0K下更稳定。一些文献认为富勒烯比石墨更稳定的说法是错误的，应予纠正。

关键词碳元素同素异形体稳定性生成焓

The Stability of Carbon Allotropes

Deng GengYu Zhiwu*

(DepartmentofChemistry,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

AbstractThere are several allotropes of carbon and their stability can be judged by energy criterion. Of the most common allotropes, graphite is the most stable under the standard condition, and its standard molar enthalpy of formation is taken as the reference value 0kJ/mol in physical chemistry. Recently, some researchers reported that diamond would be more stable than graphite at 0K. It should also be stressed that the claim that fullerene is more stable than graphite is wrong.

Key WordsCarbon; Allotrope; Stability; Enthalpy of formation

人们研究碳元素的同素异形体已有200多年的历史。1772年，拉瓦锡用凸透镜聚光点燃金刚石(diamond)，并证明产生的气体是二氧化碳，从而说明金刚石与石墨(graphite)同属于碳元素的同素异形体。此后化学家长期认为，碳的同素异形体包括金刚石、石墨和无定形碳(amorphous carbon)3种。1985年，哈罗德·克罗托等人分离制得C60，并报道了其独特的球碳型结构[1]，此后大量碳元素的同素异形体如碳纳米管(carbon nanotube，1991年[2])、直链碳炔(linear acetylenic carbon，1995年[3])、石墨烯(graphene，2004年[4])等陆续被发现，直到最近仍有新的同素异形体被发现和报道[5]。

同素异形体的稳定性一般根据能量判据进行判断，具有较低能量状态的同素异形体更加稳定。物理化学中的能量判据形式与实际条件有关，例如吉布斯自由能变是等温等压化学变化的判据,亥姆霍兹自由能变是等温等容化学变化的判据等。在热化学上，标准摩尔生成焓可近似作为衡量标准状况下某物质能量高低的标准。历史上曾就碳元素在室温附近标准状况下的稳定单质是石墨还是金刚石产生过争议[6]，但最终认定石墨是室温附近标准状况下碳元素的稳定单质，金刚石具有正的标准摩尔生成焓。……