6　　碳

Carbon
相對原子質(zhì)量12.01

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名字的起源有很多種說法，其中主流說法是來自拉丁語carbo（木炭）。據(jù)說詞源來自印歐語族的ker（燃燒）。

碳與鉆石

自古以來最讓人們熟知的，幾乎全部由碳構(gòu)成的物質(zhì)就是木炭。劈柴點燃后就會生成木炭。木炭是無定形碳，沒有清晰的晶體結(jié)構(gòu)。碳黑也是一種無定形碳，工業(yè)上可生產(chǎn)出粒子大小相近的碳黑。

其他全部由碳元素（碳的同位素）構(gòu)成的物質(zhì)，就是晶體結(jié)構(gòu)和分子十分清晰的金剛石、石墨和富勒烯。

黑乎乎的木炭（晶體結(jié)構(gòu)最明顯的是石墨）和無色透明且堅硬無比的金剛石都是只由碳元素構(gòu)成的，它們?nèi)紵蠖贾粫啥趸肌Ｎ以?jīng)做過一個實驗，在石英管中放入金剛石，并通入氧氣，使其加熱燃燒，經(jīng)過證實得到的全部氣體只有二氧化碳。

碳的化合物多達(dá)一億多種，并且碳化合物構(gòu)成了有機(jī)物（有機(jī)化合物）的世界。碳作為生物體的主要構(gòu)成元素之一，關(guān)系著生命的各種機(jī)能。淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪都是碳元素組成的化合物，也就是有機(jī)物。在自然界中，植物通過光合作用以二氧化碳和水為原料生產(chǎn)有機(jī)物；在海底熱泉生態(tài)系統(tǒng)中，化學(xué)合成自營細(xì)菌在無法進(jìn)行光合作用的地方可將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。這些有機(jī)化合物構(gòu)成了生命體，也是我們生活能量來源。

天然纖維、合成纖維和塑料也是碳的化合物。石油、煤、天然氣這樣的化石燃料也是由有機(jī)物演變而來的。化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳是溫室氣體，導(dǎo)致了溫室效應(yīng)。

固體二氧化碳——干冰

你買冰激凌時通常會被贈送一包干冰。干冰就是“干了的冰”的意思。在我們生活的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，二氧化碳不會變成液態(tài)，而是從固態(tài)直接變成氣態(tài)，因此被稱為“干”，這樣的變化被稱為“升華”。干冰的正式名稱是固態(tài)二氧化碳，也就是固體狀態(tài)的二氧化碳?xì)怏w。把白色干冰固體靜置，它不會變成液體，而是變成二氧化碳?xì)怏w，而干冰固體也逐漸變小。正是由于干冰有不會變?yōu)橐后w、溫度在-80℃左右、小巧輕便的特點，經(jīng)常被用作食品運輸?shù)睦洳貏８杀怀晒I(yè)化大量生產(chǎn)是1925年美國紐約的干冰股份有限公司，當(dāng)時將制成的成品命名為干冰。由于干冰的誕生，當(dāng)時可以成功地運送冰激凌且保證其不融化。

日本從美國購入設(shè)備，于1928年開始制造干冰。

首先把氣體壓縮到很小，再從小孔中急速噴出，令其急劇膨脹，這樣可讓溫度大幅下降（絕熱膨脹原理），不斷重復(fù)這個操作，就可得到干冰。這也是云形成的原理。

這樣一來，二氧化碳就會由于加壓變成液態(tài)。液態(tài)二氧化碳向容器中噴出后，會變成像雪一樣的粉末狀，并堆積在容器內(nèi)。這時，被送入容器的液態(tài)二氧化碳的體積是干冰的二倍。因為有一半的干冰會吸熱變回二氧化碳?xì)怏w。而這些氣體會被回收，再次作為制作干冰的原料。將容器內(nèi)粉末狀的干冰攥到一起，就得到了硬硬的干冰。

如果把干冰放在玻璃瓶內(nèi)密封，玻璃瓶也許會發(fā)生破裂，這樣的事故發(fā)生過很多次，但即使放進(jìn)塑料瓶中也是危險的。曾經(jīng)有一些高中生制造惡作劇，把水和干冰裝進(jìn)一個塑料瓶并密封起來，隨后就發(fā)生了爆炸。我請電視臺做過一個實驗，還原這個惡作劇，結(jié)果發(fā)生了大爆炸，碎片飛到了十幾米遠(yuǎn)的地方。

富勒烯的發(fā)現(xiàn)

今天的科學(xué)研究中，碳的同素異形體分別有無定形碳、石墨、金剛石這三種。大家普遍認(rèn)為：碳是一個十分常見的元素，已經(jīng)被研究得很充分了，不會再有其他的同素異形體了。

但令人意想不到的是，一種由60個碳原子構(gòu)成的含有12個五邊形和20個六邊形的球體被發(fā)現(xiàn)了，它的形狀酷似一個精美的足球（1985年，H.W.kroto和R.E.Smally共同發(fā)現(xiàn)，并因此于1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎）。

其實，在這個分子被發(fā)現(xiàn)的十五年以前，日本的大澤映二博士就曾經(jīng)預(yù)言過它的存在。后來，C70、C76、C78、C84等碳元素更多的分子逐個被發(fā)現(xiàn)。不光有球狀結(jié)構(gòu)，還有筒狀結(jié)構(gòu)，比如碳納米管，而這些分子統(tǒng)稱為富勒烯。現(xiàn)在有很多研究者都在探索：其他原子插入這些分子內(nèi)部空間后，產(chǎn)生的新分子的物理、化學(xué)性質(zhì)以及在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

又輕又軟又結(jié)實的碳纖維

碳纖維是僅由碳元素構(gòu)成的、黑色、直徑只有頭發(fā)十分之一的細(xì)小纖維。碳纖維可以被織成布。雖然碳纖維很少被單獨使用，但它經(jīng)常和塑料、陶瓷以及金屬共同使用組成復(fù)合材料，制作成耐用度高、輕便的材料。由于它比金屬輕、強(qiáng)度高、耐用度高的特質(zhì)，飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星、汽車、漁竿、高爾夫用品、網(wǎng)球拍、自行車架、帆船、文具、精密儀器等在制作時都會使用。