6

C

12.01

碳

carbon

原子序数：6

发现时间：约公元前3750年

熔点：在熔化之前升华为气体

类型：非金属

颜色：无色钻石，黑色石墨

升华点：3 642 ℃（6 588 ℉）

地球上已知的所有生物都是碳基的，不过这并不排除我们在未来会发现更多特别的生物。碳原子一般是正四价的，这代表它能同时与四个不同的原子结合。碳可以和其他元素化合形成多达2 000万种化合物，这些化合物具有不同长度的碳链。

直到19世纪初，人们都认为所有生物以及像蛋白质、碳水化合物这样的化学物质中含有一种“生命的火花”，将它们区别于无机物。1828年，人们发现，存在于动物尿液中的尿素晶体可以在实验室中合成。

在碳循环中，植物和浮游生物通过光合作用从二氧化碳中获取碳，氧气则作为副产物被释放出来。与此同时，碳、氢和氧三种元素 组合形成碳水化合物。这些碳水化合物与氮、磷及其他元素结合，形成维持生命所需的物质——比如氨基酸和合成DNA所需的碱和糖。无法进行光合作用的人类，必须食用其他植物或动物来获取细胞结构所需要的碳。之后，以呼出二氧化碳的形式或通过细胞死亡后生物的腐烂的形式，使碳重新回到碳循环中。

在我们了解碳的多样化用途之后，会更加深刻地认识到碳元素的重要性。关于碳的纯物质最吸引人的性质之一，就是它的同素异形体之间差异很大。其实早在6世纪前的古埃及时代，人们就发现了碳在自然界中存在两种同素异形体：金刚石和石墨。令人疑惑的是，金刚石透明坚硬，而石墨呈黑色且质地柔软，它们怎么会是由同种元素构成的呢？

答案是，这些同素异形体之间最本质的区别是碳原子的排列方式不同。很多固体中的原子之间是按照“晶格”——重复的三维构架来排列的。比如，金刚石的原子排列成紧密的四面体结构（四个三角形面的金字塔），石墨的原子则排列成稳定性相对较弱的层状结构。正是这种原子结构排列上的差异，造成了碳的同素异形体之间外观和质地上的差别。

几千年以来，人们都没发现金刚石和碳之间的联系。直到17世纪，两位佛罗伦萨科学家，朱塞佩·阿韦拉尼和奇普里亚诺·塔吉奥尼发现可以通过放大镜将太阳的热量集中到金刚石上。1796年，英国化学家史密森·特南特在实验研究中观察到奇妙的现象——一颗金刚石经过燃烧，生成了唯一的产物——二氧化碳，他由此证明金刚石是由碳构成的。这一结论在当时震惊了世界！

碳与氢结合，形成了烃，或称碳氢化合物。碳氢化合物可以从地球的化石原料中被提取出来，它们也是合成塑料聚合物和许多纤维、溶剂和涂料的基础原料。烃或烃的衍生物的混合物便是化石燃料，它们的燃烧会释放出二氧化碳，这些二氧化碳排放到大气中会加剧温室效应。在大规模的可替代的持续型能源出现之前，这个问题将会一直困扰世界各国。

碳在工业生产中被广泛应用，比如：木炭或焦炭被用于炼钢；石墨被用来制造铅笔（虽然石墨被错误地称为“铅”），以及在电气方面用于制造电机刷和炉衬；金刚石被用于切割岩石和钻孔；碳纤维非常轻且坚固，被用于制造鱼竿和网球拍以及飞机和火箭的活动部件。

近年来，科学家在研究中发现了一系列碳的新同素异形体，它们拥有非常特殊的性质。比如于1985年被发现的富勒烯（外观像一个由碳组成的空心笼子的这一系列物质统称富勒烯），它的种类有很多。其中有，巴克球——足球烯的一种，像一个由60个碳原子形成的空心球；还有纳米管，在1991年被发现，是一种由卷曲的碳原子组成的且直径只有1纳米（0.000 001毫米）的细管。

碳的同素异形体中最令人惊奇的可能是石墨烯，人们普遍认为它是未来的奇迹材料。虽然石墨在宏观上是柔软的，但是组成石墨的单独的每一层是相当坚固的。自20世纪60年代起，科学家们就曾推断，未来我们能够制造出一种二维结构、质地轻盈且坚固灵活的碳材料。2004年，这种被称为石墨烯的二维新型材料最终研发成功。它能用于制造电路、高效太阳能电池、智能跑鞋、轻型飞机等，甚至能作为一种新型的神经植入物用来连接我们的大脑和计算机。

碳的故事仍在继续，相信它在未来会更加精彩！ P7cLr8yGb6ix1kRptBE0a9euGWeEc4df+9wwq5o9mrY6AD5ULZhoQByWMhXJ7erW