6 C 碳 百搭

碳是元素周期表上的瑞士軍刀，是元素中的達·芬奇，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于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征是絕對不可能的。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。

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系。碳原子最常見的兩種排列形式是石墨和鉆石。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]，而鉆石就是超人。

鉆石的特性是眾所周知的。有人唱過關于它的歌，它在電影里擔任過主演，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。鉆石并不“恒久遠”，這些寶石可能會煙消云散。

每顆鉆石都是堅硬的、不可壓縮的碳單晶。鉆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，賦予鉆石力與美。但是，與烏漆墨黑的石墨相比，象征著永恒和穩定的鉆石只是處于亞穩態。

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，但它們比鉆石里的化學鍵更強，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年前后，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。于是，他們開始了石墨的開采和貿易。

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。這就是為什么它被命名為石墨，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，制造出的彈藥更光滑，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，并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。盡管它外表上看起來像鉛礦，但顯然不是。

科學家也曾對鉆石的構成感到困惑，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、透明的鉆石有相同的成分。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鉆石上，鉆石竟燃燒殆盡，和石墨在高溫下的燃燒一模一樣。原來鉆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]終于一錘定音，讓科學界相信石墨和鉆石是同一個東西，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《永恒的鉆石》。

[3]　美國著名女藝人，曾演唱過流行歌曲《鉆石是女孩最好的朋友》。

[4]　位于英格蘭西北部。

[5]　石墨的英語名稱Graphite來源于希臘文graphein，意思是“用來寫”。

[6]　英國化學家，銥和鋨的發現者。