1.3.4. 富勒烯（亦称巴基球）
富勒烯是上世纪80年代人们对碳原子簇研究新发现的碳原子结构。早在20世纪70 年代就有人设想过碳的球分子的存在。 1985 年，克罗托等人在用激光轰击石墨靶，做碳的气化试验时发现了一种 60 个碳原子组成的稳定的原子簇，用质谱检验，它具有 720 个原子质量单位，即由60个碳原子组成，简写为 C60。并提出了C60的结构为 20 个正六角环和 12 个正五角环组成的笼形结构，其中每个正五角环为正六角环所分隔开，其后又发现大多数偶数碳原子簇都可以形成封闭笼形结构，其五角环数恒定为 12 个，而六角环数则因笼的大小而定。五种最典型的稳定化的富勒烯结构示于图 1-4 。
单个C60分子的对称性很高，人们将其描述为平截正20面体形成的32面体，直径为7.1 ?。 C60 的共有 60 个顶角，每一个顶角为两个正六角环和一个正五角环的聚会点，在每一个顶角上有一个碳原子，每个碳原子以二个单键、一个双键与相邻的三个碳原子相连结。每一个六角环，C与C之间以sp3杂化轨道形成共轭双键，而在笼的内外表面都被π电子云所覆盖。整个分子是芳香性的。
C70的结构为 12 个五角环和 25 个六角环围成的一个37面体，碳原子占据 70 个顶角位置，有的是两个六角环和一个五角环的聚会点，有的为三个六角环的聚会点。
最近报导有 C76 、C84 也为稳定分子，并认为还可能存在如 C180、 C240等碳原子数更大的富勒烯成员。
1.3.5. 碳的结构形式与杂化轨道理论
碳原子的电子构型为1s22s22px12py12pz，其中1s轨道中的两个电子不参与成键。由能量较低的2s轨道与能量较高的3个2p轨道进行杂化，形成4个简并（即能量相同的）的sp3杂化轨道（sp3-hybrid orbital）。每个sp3杂化轨道含有1/4的s轨道成分，3/4的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。sp3杂化轨道的形状如图所示，四个简并的sp3杂化轨道采取相互尽可能远离的方式在空间排布，从而减少电子间的相互排斥作用，即形成四面体结构，sp3杂化轨道间的夹角为109.5°。每个sp3杂化轨道上各排布一个自旋平行的电子。
碳的2s和2p轨道还可以进行sp2杂化，即一个2s轨道和两个2p轨道杂化，形成三个简并的sp2杂化轨道（sp2-hybrid orbital）。每个sp2杂化轨道含有1/3的s轨道成分，2/3的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。单个sp2杂化轨道的形状类似于sp3杂化轨道。由于电子间的相互排斥作用，3个sp2杂化轨道处于相互远离的方向，即分别伸向平面三角形的3个顶点，因此轨道间夹角为120o，处于同一个平面上。余下一个2pz轨道垂直于sp2杂化轨道平面。3个sp2杂化轨道与1个2pz轨道的空间排布如下图所示。
碳的2s和2p轨道还可以进行sp2杂化，即一个2s轨道和两个2p轨道杂化，形成三个简并的sp2杂化轨道（sp2-hybrid orbital）。每个sp2杂化轨道含有1/3的s轨道成分，2/3的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。单个sp2杂化轨道的形状类似于sp3杂化轨道。由于电子间的相互排斥作用，3个sp2杂化轨道处于相互远离的方向，即分别伸向平面三角形的3个顶点，因此轨道间夹角为120o，处于同一个平面上。余下一个2pz轨道垂直于sp2杂化轨道平面。3个sp2杂化轨道与1个2pz轨道的空间排布如下图所示。
