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碳的七十二变


来源:科普中国-科学原理

[导读]  碳原子具有超强的“化学牵手”键合能力,可以通过单键、双键和三键三种化学键形成许许多多不同的结构。

中国粉体网讯  在金刚石的晶体里,相邻的四个碳原子包围着一个碳原子,这个碳原子便以共价键同这四个碳原子结合成为正四面体结构。



碳分子


碳原子具有超强的“化学牵手”键合能力,可以通过单键、双键和三键三种化学键形成许许多多不同的结构。金刚石、石墨、石墨烯、碳60、碳纳米管都是元素相同的碳单质,但由于碳原子的排列顺序不一样,物理性质和化学性质不同,所以它们属于碳的同素异形体。


同素异形体是指由同样的单一化学元素构成,但性质却不相同的单质。就像石墨,它的晶体是层状结构,在每一层内,每一个碳原子都通过共价键和其他三个碳原子结合,排列成平面的六角形的层状结构。人们后来发现了一种物质叫石墨烯,它其实就是单层的石墨,现在科学家已经研制出人工培育它的手段,可以广泛应用到日常生活和工作中。


在金刚石的晶体里,相邻的四个碳原子包围着一个碳原子,这个碳原子便以共价键同这四个碳原子结合成为正四面体结构。



美丽的钻石


碳是不甘于平庸、沉寂的,富于变化是它们的特质。在人工创造的条件下,任何一种单质碳都可以像孙悟空的“七十二变”那样发生神奇的改变。比如,利用加热、高温再结晶的方法可以把木炭转化成石墨;在高温高压的条件下,石墨能转换成金刚石;在电弧放电作用下,石墨可以形成单个或众多的碳原子,如果让它们重新生长,条件不同,形成的物质也不同,比如可以形成石墨烯、碳60、碳纳米管等碳的同素异形体。


碳60就像一个足球一样,是由60个碳原子形成的封闭笼状分子。科学家经过长期研究,还发现了众多像碳60这样球状或椭圆状、管状结构的碳单质。它们的结构十分精巧,和一些设计奇异的建筑非常相像。因此,人们用著名的建筑大师富勒的名字为它们命名,称为富勒烯。


准确来说,碳的变化是和碳原子的组合排列紧密相关的,而且这些组合可以通过化学方法或者物理方法人为改变。


碳还与我们的生活息息相关。作为最软的碳单质,石墨烯的用途五花八门,包括制造铅笔芯、润滑剂,用作耐火材料、导电材料、用于原子能工业和国防工业等。


石墨烯铅笔芯


金刚石作为最坚硬的碳单质,也有着广泛的应用。比如:地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、磨料用金刚石、修整器、玻璃刀、硬度计压头等等。对于那些高纯度的金刚石,可以跻身奢侈品的行列,被用来做钻石;碳60可以增强金属、作催化剂、用作光学材料和高分子材料,在医学应用上也有碳60的身影;具有高导电性、高强度、超轻薄等特性的石墨烯,在新能源电池领域、航天军工领域的应用优势极为突出。另外,塑料、羽毛球拍,甚至高尔夫球杆中都含有碳元素。


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