[科普中國]-碳：看我七十二變

碳分子

碳原子具有超強(qiáng)的“化學(xué)牽手”鍵合能力，可以通過單鍵、雙鍵和三鍵三種化學(xué)鍵形成許許多多不同的結(jié)構(gòu)。金剛石、石墨、石墨烯、碳60、碳納米管都是元素相同的碳單質(zhì)，但由于碳原子的排列順序不一樣，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同，所以它們屬于碳的同素異形體。

同素異形體是指由同樣的單一化學(xué)元素構(gòu)成，但性質(zhì)卻不相同的單質(zhì)。就像石墨，它的晶體是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)，每一個(gè)碳原子都通過共價(jià)鍵和其他三個(gè)碳原子結(jié)合，排列成平面的六角形的層狀結(jié)構(gòu)。人們后來發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)叫石墨烯，它其實(shí)就是單層的石墨，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)研制出人工培育它的手段，可以廣泛應(yīng)用到日常生活和工作中。

在金剛石的晶體里，相鄰的四個(gè)碳原子包圍著一個(gè)碳原子，這個(gè)碳原子便以共價(jià)鍵同這四個(gè)碳原子結(jié)合成為正四面體結(jié)構(gòu)。

美麗的鉆石

碳是不甘于平庸、沉寂的，富于變化是它們的特質(zhì)。在人工創(chuàng)造的條件下，任何一種單質(zhì)碳都可以像孫悟空的“七十二變”那樣發(fā)生神奇的改變。比如，利用加熱、高溫再結(jié)晶的方法可以把木炭轉(zhuǎn)化成石墨；在高溫高壓的條件下，石墨能轉(zhuǎn)換成金剛石；在電弧放電作用下，石墨可以形成單個(gè)或眾多的碳原子，如果讓它們重新生長，條件不同，形成的物質(zhì)也不同，比如可以形成石墨烯、碳60、碳納米管等碳的同素異形體。

碳60就像一個(gè)足球一樣，是由60個(gè)碳原子形成的封閉籠狀分子?？茖W(xué)家經(jīng)過長期研究，還發(fā)現(xiàn)了眾多像碳60這樣球狀或橢圓狀、管狀結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)。它們的結(jié)構(gòu)十分精巧，和一些設(shè)計(jì)奇異的建筑非常相像。因此，人們用著名的建筑大師富勒的名字為它們命名，稱為富勒烯。

準(zhǔn)確來說，碳的變化是和碳原子的組合排列緊密相關(guān)的，而且這些組合可以通過化學(xué)方法或者物理方法人為改變。

碳還與我們的生活息息相關(guān)。作為最軟的碳單質(zhì)，石墨烯的用途五花八門，包括制造鉛筆芯、潤滑劑，用作耐火材料、導(dǎo)電材料、用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)等。

石墨烯鉛筆芯

金剛石作為最堅(jiān)硬的碳單質(zhì)，也有著廣泛的應(yīng)用。比如：地質(zhì)鉆頭和石油鉆頭金剛石、拉絲模用金剛石、磨料用金剛石、修整器、玻璃刀、硬度計(jì)壓頭等等。對于那些高純度的金剛石，可以躋身奢侈品的行列，被用來做鉆石；碳60可以增強(qiáng)金屬、作催化劑、用作光學(xué)材料和高分子材料，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上也有碳60的身影；具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性的石墨烯，在新能源電池領(lǐng)域、航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢極為突出。另外，塑料、羽毛球拍，甚至高爾夫球桿中都含有碳元素。

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