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基本信息
| 中文名 | 碳單質(zhì) |
| 外文名 | elemental Carbon |
| 元素符號 | C |
| 石墨 | 天然的石墨礦床在世界 |
| 存在形式 | 石墨、金剛石、富勒烯等 |
| C60 | C60(碳60簡稱為C60) |
| 簡介 | 碳在地殼中的含量為0.026 |
| 金剛石 | 世界上最著名的金剛石產(chǎn)地 |
收起
碳元素
碳在地殼中的含量為0.026%，在自然界中分布很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白云石、二氧化碳等。目前全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物種類已達400多萬種，其中絕大多數(shù)是碳的化合物，不含碳的化合物不超過10萬種。在現(xiàn)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(shù)目，大約僅是碳這一種元素所形成化合物總數(shù)的1/40。碳是地球上化合物種類最多的元素。
金剛石
金剛石
世界上最著名的金剛石產(chǎn)地在南部非洲。這個地區(qū)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。開采出來的金剛石并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。
世界最大鉆石——庫里南一號。1905年，南非的總理礦區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一塊重3106克拉（計算鉆石大小重量的單位，1 克拉=0.2克）的鉆石原石，這一發(fā)現(xiàn)震驚世界，于是把此鉆石以礦主之名——托馬斯·庫里南爵士命名。當時南非尚為英國殖民地，人們決定將此鉆石運回英國，朝貢英王愛德華七世。為安全起見，保了75萬英鎊的保險。但實際保的是一只空盒，而真正的鉆石卻用另外一只紙盒，只用普通掛號就寄回英國了。
這顆3106克拉的鉆石運回英國后，皇家請了當時最負盛名的荷蘭切割師安斯切爾兄弟，經(jīng)過多月的揣摩研究，終于決定如何切割這顆鉆石。定奪之后，將此鉆石運到荷蘭去切，英王派軍艦護航，仍用了“金蟬脫殼”之計，軍艦所護的只是空柜，而真正的鉆石，卻被安斯切爾放在褲袋內(nèi)，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，正要一錘敲下去把鉆石切開時，因緊張過度，當場暈倒，最后經(jīng)多次努力終于成功，兩兄弟把它切成9顆大鉆石和96顆較小的鉆石。這9顆大鉆石中，最大的一顆被切成梨形，重530克拉，鑲在英王權(quán)杖上，取名為“庫里南一號”，并被稱為“非洲之星”。
人造金剛石與天然金剛石在化學(xué)上是完全等同的，但它們是在實驗室中生產(chǎn)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℃）約一天的時間后制得的。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)能使晶體在三維空間中有很高的強度。這種剛性結(jié)構(gòu)給金剛石以硬度。由于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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是它具有極高熔點的原因。由于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么是電的非導(dǎo)體。由于它極高的硬度，金剛石被用于切割、鉆孔和研磨。金剛石常被用來作為經(jīng)久耐用的唱機針頭。
金剛石是最好的熱導(dǎo)體。完整的金剛石單晶的導(dǎo)熱性是銀和銅的導(dǎo)熱性的5倍（銀和銅是最好的金屬導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)電性結(jié)合著它的優(yōu)良的導(dǎo)熱性使金剛石在半導(dǎo)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(xué)家拉瓦錫在純氧中燃燒了一塊透明的金剛石，得到了產(chǎn)物二氧化碳。這個實驗向他證明金剛石中含有碳。英國化學(xué)家史密森·坦納物特在1797年重復(fù)了這個實驗，他稱了金剛石和生成的二氧化碳的質(zhì)量，從二氧化碳的質(zhì)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(zhì)中，它的硬度最大。測定物質(zhì)硬度的刻劃法規(guī)定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質(zhì)的硬度（詳細見附表）。例如Cr的硬度為9，F(xiàn)e為4.5，Pb為1.5，鈉為0.4等。在所有單質(zhì)中，金剛石的熔點最高，達3823K。
由于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(dǎo)電。
常溫下，金剛石對所有的化學(xué)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。
石墨
石墨
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，并有滑膩的感覺。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(dǎo)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(xiàn)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，并沒有任何實驗證據(jù)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(jù)表明，所有這些鍵都是等同的。石墨的各層具有共振結(jié)構(gòu)，其中碳－碳鍵介于單鍵和雙鍵之間。石墨的每一層都是強烈鍵合的共價網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。正同金剛石的情況一樣，這種結(jié)構(gòu)使石墨具有很高的熔點，約3600℃。由于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，難于生成共價鍵，它們是通過弱色散力結(jié)合在一起的。這種力是由各層中電子的運動所產(chǎn)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于一層在另一層上滑動的結(jié)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(dǎo)體。同金剛石一樣，石墨不溶于任何的普通溶劑中。同樣，當在氧中燃燒時，它生成二氧化碳。
所有這些用途都利用了石墨具有極高熔點這個性質(zhì)。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制成石墨潤滑劑，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跡，在制造“鉛”筆時，先要把石墨研成粉末并與粘土混和，然后制成棒狀，鉛筆的硬度取決于制造過程中粘土的相對用量。
C60
C60
C60(碳60簡稱為C60) 分子是一種由60個碳原子結(jié)合形成的穩(wěn)定分子，它形似足球，主要應(yīng)用于材料科學(xué)，超導(dǎo)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(xué)的克羅脫（Kroto,H.W.）和史沫萊（Smalley,R.E.）等人于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(chǎn)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，并迅速冷卻形成新的碳原子，從而得到了C60。C60的組成及結(jié)構(gòu)已經(jīng)被質(zhì)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(fā)現(xiàn)。1991年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，C60中摻以少量某些金屬后具有超導(dǎo)性，且這種材料的制作工藝比制作傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料——陶瓷要簡單，質(zhì)地又十分堅硬，所以人們預(yù)言C60在超導(dǎo)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。碳60分子俗稱布基球，由60個碳原子構(gòu)成，它們組成一個籠狀結(jié)構(gòu)。這一分子于1985年被發(fā)現(xiàn)后因它具有特殊性質(zhì)，一直是化學(xué)家們的熱門研究對象。碳－60分子是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出與普通形態(tài)的碳元素大不相同的物理、化學(xué)性質(zhì)。
C70
C76
C76，碳的一種同素異形體。色彩不定。質(zhì)地柔軟、柔韌性好。
分子式為C76 由76個碳原子構(gòu)成一個C76分子。
化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但能在某些情況下在電磁情況下與淀粉溶液反應(yīng)。
通過質(zhì)譜分析、X射線分析后證明， C76的分子結(jié)構(gòu)的確為雙葉型多面體，它是由76個碳原子以23個六元環(huán)和16個五元環(huán)連接而成的具有32個碳碳復(fù)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在自然中可以以單質(zhì)形式穩(wěn)定存在，目前已經(jīng)探明它廣泛存在于日本本州島與北九州的礦脈中。由于其外形像一本書，所以俗稱書本烯。書本烯于2008年被日本科學(xué)家靈夢托尼發(fā)現(xiàn)，并于2009年初制得純C76。C76的用途：C76由于其密度輕體積小，十分適合生產(chǎn)電子產(chǎn)品。其未來可能用于計算機領(lǐng)域，并廣泛進入各位電腦愛好者的家中。另據(jù)報道稱，C76還被用于某些書本中，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布于自己的產(chǎn)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(yǎng)說明等。C76產(chǎn)品計劃于2009年8月中旬投入量產(chǎn)，將在日本首先上市。
研究表明光學(xué)活性的C76和C84對熱和光都是穩(wěn)定的。由于C78, C84都只有一個幾何異構(gòu)體是手性的，所以它們的CD光譜就代表了單一的手性異構(gòu)體的光譜性質(zhì)，即C78(D3對稱性)和C84(D2對稱性)。C78和C84的CD光譜可以表現(xiàn)出比相應(yīng)的UV光譜更多的電子結(jié)構(gòu)信息，特別是只有手性異構(gòu)體才會出現(xiàn)CD光譜，并且不受非手性異構(gòu)體的干擾，因此所得CD光譜有助于更高碳數(shù)富勒烯的電子結(jié)構(gòu)分析。
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，其余主要成分都是單質(zhì)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，并不是指這些物質(zhì)存在的形狀，而是指其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實際上它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是真正的無定形體，而是具有和石墨一樣結(jié)構(gòu)的晶體，只是由碳原子六角形環(huán)狀平面形成的層狀結(jié)構(gòu)零亂而不規(guī)則，晶體形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量雜質(zhì)。
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(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)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(dǎo)體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)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后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。
發(fā)現(xiàn)
誰也不會想到，鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質(zhì)！
法國皇帝拿破侖曾經(jīng)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(zhì)！美國哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)家最近研究發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。
發(fā)現(xiàn)者是兩華裔科學(xué)家，人們熟悉的鉛筆是由石墨制成的，而石墨則是由無數(shù)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(jié)構(gòu)。自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)的科學(xué)研究就從未間斷過。然而直到最近，美國科學(xué)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(jù)悉，這一驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是由曼徹斯特大學(xué)大學(xué)的Andre Geim 和他的學(xué)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，于是我們想到了透明膠帶?！笨茖W(xué)家先將膠帶粘在一塊石墨上，然后再撕下來，接著科學(xué)家又將膠帶粘到了一塊面積只有1平方英寸的硅片上，然后再將膠帶從硅片上撕下來，這時數(shù)千小片石墨都粘到了硅片上。
比鉆石還要堅硬
硅片上有數(shù)千個肉眼看不見的小孔。科學(xué)家開始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進行觀察，科學(xué)家花費數(shù)天時間，希望能在硅片小孔上發(fā)現(xiàn)合適的單原子厚的石墨烯薄片。
一旦科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)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鉆石探針對它們進行穿刺，從而測試它們的強度。讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯比鉆石還強硬，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(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤認為很僵硬，但事實并非如此。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(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)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(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)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(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬的物質(zhì)。美國哥倫比亞大學(xué)James Hone等人最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學(xué)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(xiàn)實。其厚度只有0.335納米，把2000片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。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。美國機械工程師杰弗雷·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只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么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(dǎo)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(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動速度。還有，其導(dǎo)熱性超過現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性O(shè)LED顯示器的開發(fā)。據(jù)了解，韓國三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
經(jīng)典物理學(xué)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(cè)；在量子力學(xué)中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。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(shù)；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(xué)來解釋。量子電動力學(xué)作出了一個更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢壘的另一側(cè)。
以下實驗證實了量子電動力學(xué)的預(yù)言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓（相當于一個勢壘），然后測定石墨烯的電導(dǎo)率。一般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會隨之增加，但事實并非如此，因為所有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應(yīng)，通過率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導(dǎo)電性：相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。
總結(jié)一下特性：基于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導(dǎo)電性、機械強度高、易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等。
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作者
