1簡介

碳在地殼中的含量為0.027%,在自然界中分佈很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白雲石、二氧化碳等.目前全世界已經發現的化合物種類已達400多萬種,其中絕大多數是碳的化合物,不含碳的化合物不超過10萬種。在現有的112種元素中,除碳以外的111種元素,它們之間所形成化合物數目,大約僅是碳這一種元素所形成化合物總數的1/40。碳是地球上化合物種類最多的元素。
眾所周知,生命的基本單元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架變化而來的。先是一節碳鏈一節碳鏈地接長,演變成為蛋白質和核酸;然後演化出原始的單細胞,又演化出蟲、魚、鳥、獸、猴子、猩猩,直至人類。這三四十億年的生命交響樂,它的主旋律是碳的化學演變。可以說,沒有碳就沒有生命。碳是生命世界的棟樑之材。
純凈的、單質狀態的碳有金剛石、石墨和C60(又稱富勒烯或足球烯),此外,還有C36、C70、C84、C240、C540、碳納米管等。它們是碳的同素異形體。而作為混合物的碳單質無定形碳,有木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。除骨炭含在10%左右以外,其餘主要成分都是單質碳。

2金剛石

金剛石
世界上最著名的金剛石產地在南部非洲。這個地區的金剛石常常存在死火山的噴井中。人們認為它們是在極高的溫度和壓強下慢慢地形成的。開採出來的金剛石並沒有寶石的外形和光彩,通過切割和磨光等工藝才給它們以光耀的外形。
世界最大鑽石——庫里南一號。1905年,南非的總理礦區,發現了一塊重3106克拉(計算鑽石大小重量的單位,1 克拉=0.2克)的鑽石原石,這一發現震驚世界,於是把此鑽石以礦主之名——托馬斯·庫里南爵士命名。當時南非尚為英國殖民地,人們決定將此鑽石運回英國,朝貢英王愛德華七世。為安全起見,保了75萬英鎊的保險。但實際保的是一隻空盒,而真正的鑽石卻用另外一隻紙盒,只用普通挂號就寄回英國了。
這顆3106克拉的鑽石運回英國后,皇家請了當時最負盛名的荷蘭切割師安斯切爾兄弟,經過多月的揣摩研究,終於決定如何切割這顆鑽石。定奪之後,將此鑽石運到荷蘭去切,英王派軍艦護航,仍用了「金蟬脫殼」之計,軍艦所護的只是空櫃,而真正的鑽石,卻被安斯切爾放在褲袋內,坐普通火車和渡輪,安全到了荷蘭工廠。當安斯切爾凝神屏住呼吸,正要一錘敲下去把鑽石切開時,因緊張過度,當場暈倒,最後經多次努力終於成功,兩兄弟把它切成9顆大鑽石和96顆較小的鑽石。這9顆大鑽石中,最大的一顆被切成梨形,重530克拉,鑲在英王權杖上,取名為「庫里南一號」,並被稱為「非洲之星」。
人造金剛石與天然金剛石在化學上是完全等同的,但它們是在實驗室中生產出來的。它們是在對石墨以及作為溶劑和催化劑的金屬施以極高的壓強(5500大氣壓)和高溫(2000℃)約一天的時間后製得的。
金剛石是最硬的物料。它是碳的最密集的形式,密度大約是水的3.5倍。它的硬度(抗磨性)和密度都可以用它的結構來解釋。注意,每個碳原子都與其它的四個最靠近的近鄰形成四面體的取向,這種類型的結構能使晶體在三維空間中有很高的強度。這種剛性結構給金剛石以硬度。由於原子之間的小距離而造成的緊密性給金剛石以極高的密度。金剛石的共價網狀結構是它具有極高熔點的原因。由於所有的價電子都被用來形成了共價鍵,因而沒有一個可以自由移動。這解釋了金剛石為什麼是電的非導體。由於它極高的硬度,金剛石被用於切割、鑽孔和研磨。金剛石常被用來作為經久耐用的唱機針頭。
金剛石是最好的熱導體。完整的金剛石單晶的導熱性是銀和銅的導熱性的5倍(銀和銅是最好的金屬導體)。在金剛石中,熱是通過振動的能量從一個碳原子到第二個碳原子的傳遞進行傳導的。在完整的金剛石單晶中,進行這個過程的效率很高。碳原子的質量很小,把原子束縛在一起的力很強,因此能夠容易地把振動的運動從一個原子傳給另一個原子。它的不導電性結合著它的優良的導熱性使金剛石在半導體裝置方面很有用。
金剛石在普通溶劑中是不溶解的。在1722年,法國化學家拉瓦錫在純氧中燃燒了一塊透明的金剛石,得到了產物二氧化碳。這個實驗向他證明金剛石中含有碳。英國化學家史密森·坦納物特在1797年重複了這個實驗,他稱了金剛石和生成的二氧化碳的質量,從二氧化碳的質量表明,金剛石是純凈的碳。
金剛石晶瑩美麗,光彩奪目,是自然界最硬的礦石。在所有物質中,它的硬度最大。測定物質硬度的刻劃法規定,以金剛石的硬度為10來度量其它物質的硬度(詳細見附表)。例如Cr的硬度為9,Fe為4.5,Pb為1.5,鈉為0.4等。在所有單質中,金剛石的熔點最高,達3823K。
金剛石晶體屬立方晶系,是典型的原子晶體,每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵,構成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結構。
由於金剛石晶體中碳碳鍵很強,所有價電子都參與了共價鍵的形成。晶體中沒有自由移動電子,所以金剛石不僅硬度大,熔點高,而且不導電。
常溫下,金剛石對所有的化學試劑都顯惰性,但在空氣中加熱到1100K左右時能燃燒成二氧化碳。
金剛石俗稱鑽石,除用作裝飾品外,主要用於製造鑽探用的鑽頭和製成玻璃刀,它是重要的現代工業原料,價格十分昂貴。

3石墨

石墨
天然的石墨礦床在世界各地都有發現。主要的產地是韓國、奧地利、朝鮮和俄羅斯。
石墨的柔軟性幾乎與金剛石的硬性同樣著稱。它很容易被粉碎,並有滑膩的感覺。石墨晶體的橫斷面呈六角(六邊)形,密度是2.26克/厘米3。石墨雖然是一種非金屬,但它是電的相當好的導體。
石墨的同一層中碳原子的鍵合情況:在同一層中,每個碳原子僅與那層中的其它三個碳原子成鍵。這些鍵由碳原子之間的共價單鍵和雙鍵組成。當用這樣的成鍵形式表示時,會出現三種不同的等效的模型。在這三種的每一種中,某些是碳-碳單鍵,而另一些則是雙鍵。但是,並沒有任何實驗證據證明在同一石墨層中有這樣截然不同的兩種鍵型。相反,證據表明,所有這些鍵都是等同的。石墨的各層具有共振結構,其中碳-碳鍵介於單鍵和雙鍵之間。石墨的每一層都是強烈鍵合的共價網狀結構。正同金剛石的情況一樣,這種結構使石墨具有很高的熔點,約3600℃。由於同層中碳原子之間的強共價鍵,使其很難沿層的方向拉開。因此,所含的碳原子以石墨形式存在的碳纖維的強度是很高的。
在石墨中,各碳原子層之間的距離太大,難於生成共價鍵,它們是通過弱色散力結合在一起的。這種力是由各層中電子的運動所產生的,各層間的這種弱引力說明了石墨的柔軟性,而它的滑膩感則是由於一層在另一層上滑動的結果。
平均說來,石墨中的層間距離比它們在金剛石中的距離要長一些,因此石墨具有較低的密度。每個碳原子層中的流動電子使石墨成為電的相當好的導體。同金剛石一樣,石墨不溶於任何的普通溶劑中。同樣,當在氧中燃燒時,它生成二氧化碳。
天然石墨的最重要的用途是塗在澆鑄金屬用的鑄模上。石墨還可以增加鋼中的含碳量,製造用於熔鍊鋼和其它金屬的粘土-石墨坩堝。
所有這些用途都利用了石墨具有極高熔點這個性質。石墨是非常好的潤滑劑,有時把石墨與凡士林或馬達油混和在一起製成石墨潤滑劑,它可以用來代替石油潤滑劑潤滑在高溫下運行的機器部件。當石墨在紙上劃過時,就能留下灰色條紋或痕迹,在製造「鉛」筆時,先要把石墨研成粉末並與粘土混和,然後製成棒狀,鉛筆的硬度取決於製造過程中粘土的相對用量。
人造石墨最重要的用途是製造電弧鍊鋼爐中的電極。人造石墨電極也被用於電解食鹽水溶液來生產氯和氫氧化鈉。石墨不與酸、鹼、有機溶劑或無機溶劑起反應,這個特點使它廣泛應用於食品、化工、石油等工業的各種工藝過程的設備中。石墨還被用於核反應堆中。
如果把某些人造纖維與塑性樹脂混和並在壓力下加熱,它們就能成為碳纖維。這些纖維中的碳是以石墨的形式存在的。碳纖維的密度比鋼低,但是強度和硬度都比鋼好。它們被用於收音機的艙板和折翼,以及用在氣象衛星和通訊衛星中。在體育用品中,碳纖維用於製造高爾夫球的棍棒、網球拍、釣魚竿和自行車的三角架。
C60
C60(碳60簡稱為C60) 分子是一種由60個碳原子結合形成的穩定分子,它形似足球,主要應用於材料科學,超導體等方面。它具有60個頂點和32個面,其中12個為正五邊形,20個為正六邊形,它形似足球,因此又被稱為足球烯。足球烯是美國休斯頓賴斯大學的克羅脫(Kroto,H.W.)和史沫萊(Smalley,R.E.)等人於1985年提出的,他們用大功率激光束轟擊石墨使其氣化,用1MPa壓強的氦氣產生超聲波,使被激光束氣化的碳原子通過一個小噴嘴進入真空膨脹,並迅速冷卻形成新的碳原子,從而得到了C60。C60的組成及結構已經被質譜,X射線分析等實驗證明。此外,還有C70等許多類似C60分子也已被相繼發現。1991年,科學家們發現,C60中摻以少量某些金屬后具有超導性,且這種材料的製作工藝比製作傳統的超導材料——陶瓷要簡單,質地又十分堅硬,所以人們預言C60在超導材料領域具有廣闊的應用前景。碳60分子俗稱布基球,由60個碳原子構成,它們組成一個籠狀結構。這一分子於1985年被發現后因它具有特殊性質,一直是化學家們的熱門研究對象。碳-60分子是科學家發現的,它由60個碳原子組成形似足球的分子,因而又被稱為「布基球」。在過去的實驗中,它表現出與普通形態的碳元素大不相同的物理、化學性質。
C70:碳70,由70個碳原子構成,比C60多10個碳,化學鍵基本相同。共面的碳原子為五圓環,六圓環
一個碳和3個碳原子相連,一個以雙鍵相連另外兩個是單鍵,平均兩個碳一個雙鍵。
C70有(70*2+2)=71個不飽和度,共35個雙鍵,所以它應該有36+1=37個環,
(封閉的多面體化合物不飽和度等於面數減1),設五圓環X個,六圓環Y個,得
X+Y=37
(5X+6Y)/3=70
解得X=12,Y=25
即12個5環,25個6環。
C76,碳的一種同素異形體。色彩不定。質地柔軟、柔韌性好。
分子式為C76 由76個碳原子構成一個C76分子。
化學性質穩定,但能在某些情況下在電磁情況下與澱粉溶液反應。
通過質譜分析、X射線分析后證明,C76的分子結構的確為雙葉型多面體,它是由76個碳原子以23個六元環和16個五元環連接而成的具有32個碳碳複合鍵(C≡ω≡C)的雙葉狀空心對稱分子,所以,C76也被稱為書本烯
密度及溶解性:C76的密度為6.4g/cm3。
C76可溶於水,在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非極性溶劑中有一定的溶解性。
C76在自然中可以以單質形式穩定存在,目前已經探明它廣泛存在於日本本州島與北九州的礦脈中。由於其外形像一本書,所以俗稱書本烯。書本烯於2008年被日本科學家靈夢托尼發現,並於2009年初製得純C76。C76的用途:C76由於其密度輕體積小,十分適合生產電子產品。其未來可能用於計算機領域,並廣泛進入各位電腦愛好者的家中。另據報道稱,C76還被用於某些書本中,這種書本能夠有抗菌、耐磨、防止特殊液體污染的特殊功能,目前已有超過千個個人和組織宣佈於自己的產品中使用該材料,其中包括著名工藝品廠商樽索推出的新品蓮花船鑒定證書、七年龍神(個人)推出的第五款黑尾鷗飼養說明等。C76產品計劃於2009年8月中旬投入量產,將在日本首先上市。
研究表明光學活性的C76和C84對熱和光都是穩定的。由於C78, C84都只有一個幾何異構體是手性的,所以它們的CD光譜就代表了單一的手性異構體的光譜性質,即C78(D3對稱性)和C84(D2對稱性)。C78和C84的CD光譜可以表現出比相應的UV光譜更多的電子結構信息,特別是只有手性異構體才會出現CD光譜,並且不受非手性異構體的干擾,因此所得CD光譜有助於更高碳數富勒烯的電子結構分析。

7無定形碳

無定形碳指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外,其餘主要成分都是單質碳。煤炭是天然存在的無定形碳,其中含有一些由碳、氫、氮等組成的化合物。所謂無定形碳,並不是指這些物質存在的形狀,而是指其內部結構。實際上它們的內部結構並不是真正的無定形體,而是具有和石墨一樣結構的晶體,只是由碳原子六角形環狀平面形成的層狀結構零亂而不規則,晶體形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量雜質。

8石墨烯

石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種,還非常牢固堅硬;作為單質,它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。
石墨烯是一種二維晶體,最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子,或更準確地,應稱為「載荷子」(electric charge carrier),的性質和相對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之後,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

9發現

誰也不會想到,鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質!
法國皇帝拿破崙曾經說過:「筆比劍更有威力」,然而他在200年前說這話的時候絕對不會想到,人類使用的普通鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質!美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家最近研究發現,鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體,比鑽石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。
發現者是兩華裔科學家 ,人們熟悉的鉛筆是由石墨製成的,而石墨則是由無數只有碳原子厚度的「石墨烯」薄片壓疊形成,石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料,是碳的二維結構。自從2004年石墨烯被發現以來,有關的科學研究就從未間斷過。然而直到最近,美國科學家才首次證實了人們長久以來的懷疑,石墨烯竟是目前世界上已知的強度最高的材料!
據悉,這一驚人的科學發現是由曼徹斯特大學大學的Andre Geim 和他的學生Konstantin Novoselov通過實驗,而李成古研究「石墨烯」強度的主要工具之一,竟是普通的透明膠帶!李成古向記者解釋他們的「低科技」研究方法說:「為了了解石墨烯的強度,我們首先必須從石墨上剝離出一些石墨烯薄片,於是我們想到了透明膠帶。」科學家先將膠帶粘在一塊石墨上,然後再撕下來,接著科學家又將膠帶粘到了一塊面積只有1平方英寸的矽片上,然後再將膠帶從矽片上撕下來,這時數千小片石墨都粘到了矽片上。
比鑽石還要堅硬
矽片上有數千個肉眼看不見的小孔。科學家開始採取高科技手段,將矽片放置在電子顯微鏡下進行觀察,科學家花費數天時間,希望能在矽片小孔上發現合適的單原子厚的石墨烯薄片。
一旦科學家發現了一些只有100分之一頭髮絲寬度的石墨烯薄片后,他們就開始使用原子尺寸的金屬和鑽石探針對它們進行穿刺,從而測試它們的強度。讓科學家震驚的是,石墨烯比鑽石還強硬,它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍!
石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質,結構非常穩定。其完美的晶格結構,常被誤認為很僵硬,但事實並非如此。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就彎曲變形。這樣,碳原子就不需要重新排列來適應外力,這也就保證了石墨烯結構的穩定,使得石墨烯比金剛石還堅硬,同時可以像拉橡膠一樣進行拉伸。這種穩定的晶格結構還使石墨烯具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於其原子間作用力非常強,在常溫下,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。
石墨烯被證實是世界上已經發現的最薄、最堅硬的物質。美國哥倫比亞大學James Hone等人最近發現,鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體,竟然比鑽石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質為「太空電梯」超韌纜線的製造打開了一扇「阿里巴巴」之門,讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長(約合37000千米)太空電梯可能成為現實。其厚度只有0.335納米,把2000片薄膜疊加到一起,也只有一根頭髮絲那麼厚。單層石墨烯幾乎透明,其分子排列緊密,即使原子尺寸最小的氦也不能通過。美國機械工程師傑弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度:如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一隻杯子上,然後試圖用一支鉛筆戳穿它,那麼需要一頭大象站在鉛筆上,才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。
石墨烯的另一特性是,其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動,而且速度極快,遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。還有,其導熱性超過現有一切已知物質。石墨烯的上述特性非常有利於超薄柔性OLED顯示器的開發。據了解,韓國三星公司的研究人員已經製造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質,須先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些了解。
經典物理學中,一個能量較低的電子遇到勢壘的時候,如果能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端,那它就只能待在這一側;在量子力學中,電子在某種程度上是可以看作是分佈在空間各處的波。當它遇到勢壘的時候,有可能以某種方式穿透過去,這種可能性是零到一之間的一個數;而當石墨烯中電子波以極快的速度運動到勢壘前時,就需要用量子電動力學來解釋。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言:電子波能百分百地出現在勢壘的另一側。
以下實驗證實了量子電動力學的預言:事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓(相當於一個勢壘),然後測定石墨烯的電導率。一般認為,增加了額外的勢壘,電阻也會隨之增加,但事實並非如此,因為所有的粒子都發生了量子隧道效應,通過率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導電性:相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。
總結一下特性:基於它的化學結構,石墨烯具有許多獨特的物理化學性質,如高比表面積、高導電性、機械強度高、易於修飾及大規模生產等。
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