6 C 碳 百搭
2024-10-02 07:43:43
作者: [英] 凱薩琳·哈卡普
碳是元素周期表上的瑞士軍刀,是元素中的達·文西,它擅長扮演各種角色,也能夠應對各種情況。在化學課上,至少有三分之一的內容是關於這個元素及其化合物的。試圖在一個簡短的章節中涵蓋所有碳的特徵是絕對不可能的。但僅僅寫下一兩個碳元素的知識,可能會顯得草率,但無論如何,讓我來試一試。
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碳單質有幾種不同的形態。碳原子本身沒有發生改變,改變的是它們之間的位置關係。碳原子最常見的兩種排列形式是石墨和鑽石。雖然它們由完全相同的元素組成,但它們的性質幾乎是完全相反的。石墨是克拉克·肯特[1],而鑽石就是超人。
鑽石的特性是眾所周知的。有人唱過關於它的歌,它在電影裡擔任過主演,在小說中扮演過重要角色。但我們不應該總是相信雪莉夫人[2]或瑪麗蓮·夢露[3]的話。鑽石並不「恆久遠」,這些寶石可能會煙消雲散。
每顆鑽石都是堅硬的、不可壓縮的碳單晶。鑽石中的每個碳原子都與其他四個碳原子成鍵,形成一個巨大的三維晶格。這種連接原子的方式緊密而牢固,賦予鑽石力與美。但是,與烏漆墨黑的石墨相比,象徵著永恆和穩定的鑽石只是處於亞穩態。
石墨中的每個碳原子只與另外三個碳原子結合,形成層疊的六邊形蜂巢結構。每個碳原子形成的化學鍵更少,但它們比鑽石里的化學鍵更強,這意味著石墨的內在結構更加穩定。這些緊密結合的原子層彼此堆疊在一起,層與層之間只有微弱的分子間作用力,就像一疊紙。這種排列給石墨帶來了別具一格、卓越且有用的特性。
公元1565年前後,人們在坎布里亞郡[4]的博羅代爾發現了高純度石墨。石墨在古代叫作Plumbago,來自拉丁語plumbum,意思是「鉛」,因為它看起來很像鉛礦。當時人們用這種石墨塊給羊做標記,但很快便意識到它太珍貴了,不能浪費在牲畜身上。於是,他們開始了石墨的開採和貿易。
石墨層與層之間存在很弱的分子間作用力,輕微的摩擦就很容易讓它滑動。這就是石墨在博羅代爾的羊身上做記號的原理——輕輕地將一層石墨擦在羊毛上。這就是為什麼它被命名為石墨,因為石墨的英文名Graphite在希臘語中是「書寫石」的意思[5]。
石墨的平滑層狀結構意味著它很容易被工具塑形,而且這讓它很耐熱。石墨內部的強力化學鍵可以阻止它熔化,即使把熔化的鉛倒在上面也不行。因此,英國人開始用石墨來充當炮彈的脫模劑,製造出的彈藥更光滑,更圓,可以飛得更遠,也更精準,這讓英國人在戰場上占據了顯著的軍事優勢。
博羅代爾是英國石墨的唯一來源,英國人非常重視。人們設立了崗哨,並制定了法律來保護埋藏在坎布里亞山區的貴重礦石。雖然石墨的價值得到了充分的認可,但這種材料的身份卻變得更加神秘了。儘管它外表上看起來像鉛礦,但顯然不是。
科學家也曾對鑽石的構成感到困惑,但它們太堅硬了,所以很難把它們拆分開來進行研究。當然,在當時也沒有人認為柔軟、漆黑的石墨與堅硬、透明的鑽石有相同的成分。直到安托萬·拉瓦錫出場——他只用了一個巨大的透鏡。
1772年,拉瓦錫用透鏡將太陽光聚焦到一顆鑽石上,鑽石竟燃燒殆盡,和石墨在高溫下的燃燒一模一樣。原來鑽石和石墨是同一種物質,克拉克·肯特化身超人,在接下來的25年中,通過更多的實驗,史密森·坦南特[6]終於一錘定音,讓科學界相信石墨和鑽石是同一個東西,只是披上了不同的偽裝。
[1] 在《超人》系列影片中,克拉克·肯特是超人展現在大眾面前的普通人形象。
[2] 雪莉·貝希,英國歷史上最有名的女歌手之一,曾出演過電影《永恆的鑽石》。
[3] 美國著名女藝人,曾演唱過流行歌曲《鑽石是女孩最好的朋友》。
[4] 位於英格蘭西北部。
[5] 石墨的英語名稱Graphite來源於希臘文graphein,意思是「用來寫」。
[6] 英國化學家,銥和鋨的發現者。