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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(jiǎn)稱(chēng)為C60) |
| 簡(jiǎn)介 | 碳在地殼中的含量為0.026 |
| 金剛石 | 世界上最著(zhù)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(dòng)植物體、石灰石、白云石、二氧化碳等。目前全世界已經(jīng)發(fā)現的化合物種類(lèi)已達400多萬(wàn)種，其中絕大多數是碳的化合物，不含碳的化合物不超過(guò)10萬(wàn)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(lèi)最多的元素。
金剛石
金剛石
世界上最著(zhù)名的金剛石產(chǎn)地在南部非洲。這個(gè)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(kāi)采出來(lái)的金剛石并沒(méi)有寶石的外形和光彩，通過(guò)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，發(fā)現了一塊重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(shí)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(ài)德華七世。為安全起見(jiàn)，保了75萬(wàn)英鎊的保險。但實(shí)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(shí)最負盛名的荷蘭切割師安斯切爾兄弟，經(jīng)過(guò)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，坐普通火車(chē)和渡輪，安全到了荷蘭工廠(chǎng)。當安斯切爾凝神屏住呼吸，正要一錘敲下去把鉆石切開(kāi)時(shí)，因緊張過(guò)度，當場(chǎng)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，鑲在英王權杖上，取名為“庫里南一號”，并被稱(chēng)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(shí)驗室中生產(chǎn)出來(lái)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(shí)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構來(lái)解釋。注意，每個(gè)碳原子都與其它的四個(gè)最靠近的近鄰形成四面體的取向，這種類(lèi)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(jià)網(wǎng)狀結構是它具有極高熔點(diǎn)的原因。由于所有的價(jià)電子都被用來(lái)形成了共價(jià)鍵，因而沒(méi)有一個(gè)可以自由移動(dòng)。這解釋了金剛石為什么是電的非導體。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(lái)作為經(jīng)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(guò)振動(dòng)的能量從一個(gè)碳原子到第二個(gè)碳原子的傳遞進(jìn)行傳導的。在完整的金剛石單晶中，進(jìn)行這個(gè)過(guò)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(dòng)的運動(dòng)從一個(gè)原子傳給另一個(gè)原子。它的不導電性結合著(zhù)它的優(yōu)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(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(gè)實(shí)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年重復了這個(gè)實(shí)驗，他稱(chēng)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)硬度的刻劃法規定，以金剛石的硬度為10來(lái)度量其它物質(zhì)的硬度（詳細見(jiàn)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(zhì)中，金剛石的熔點(diǎn)最高，達3823K。
由于金剛石晶體中碳碳鍵很強，所有價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成。晶體中沒(méi)有自由移動(dòng)電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點(diǎn)高，而且不導電。
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(shí)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(zhù)稱(chēng)。它很容易被粉碎，并有滑膩的感覺(jué)。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(gè)碳原子僅與那層中的其它三個(gè)碳原子成鍵。這些鍵由碳原子之間的共價(jià)單鍵和雙鍵組成。當用這樣的成鍵形式表示時(shí)，會(huì )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，并沒(méi)有任何實(shí)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－碳鍵介于單鍵和雙鍵之間。石墨的每一層都是強烈鍵合的共價(jià)網(wǎng)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(diǎn)，約3600℃。由于同層中碳原子之間的強共價(jià)鍵，使其很難沿層的方向拉開(kāi)。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(jià)鍵，它們是通過(guò)弱色散力結合在一起的。這種力是由各層中電子的運動(dòng)所產(chǎn)生的，各層間的這種弱引力說(shuō)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(dòng)的結果。
平均說(shuō)來(lái)，石墨中的層間距離比它們在金剛石中的距離要長(cháng)一些，因此石墨具有較低的密度。每個(gè)碳原子層中的流動(dòng)電子使石墨成為電的相當好的導體。同金剛石一樣，石墨不溶于任何的普通溶劑中。同樣，當在氧中燃燒時(shí)，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(diǎn)這個(gè)性質(zhì)。石墨是非常好的潤滑劑，有時(shí)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(lái)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(guò)時(shí)，就能留下灰色條紋或痕跡，在制造“鉛”筆時(shí)，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(guò)程中粘土的相對用量。
C60
C60
C60(碳60簡(jiǎn)稱(chēng)為C60) 分子是一種由60個(gè)碳原子結合形成的穩定分子，它形似足球，主要應用于材料科學(xué)，超導體等方面。它具有60個(gè)頂點(diǎn)和32個(gè)面，其中12個(gè)為正五邊形，20個(gè)為正六邊形，它形似足球，因此又被稱(chēng)為足球烯。足球烯是美國休斯頓賴(lài)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(guò)一個(gè)小噴嘴進(jìn)入真空膨脹，并迅速冷卻形成新的碳原子，從而得到了C60。C60的組成及結構已經(jīng)被質(zhì)譜，X射線(xiàn)分析等實(shí)驗證明。此外，還有C70等許多類(lèi)似C60分子也已被相繼發(fā)現。1991年，科學(xué)家們發(fā)現，C60中摻以少量某些金屬后具有超導性，且這種材料的制作工藝比制作傳統的超導材料——陶瓷要簡(jiǎn)單，質(zhì)地又十分堅硬，所以人們預言C60在超導材料領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。碳60分子俗稱(chēng)布基球，由60個(gè)碳原子構成，它們組成一個(gè)籠狀結構。這一分子于1985年被發(fā)現后因它具有特殊性質(zhì)，一直是化學(xué)家們的熱門(mén)研究對象。碳－60分子是科學(xué)家發(fā)現的，它由60個(gè)碳原子組成形似足球的分子，因而又被稱(chēng)為“布基球”。在過(guò)去的實(shí)驗中，它表現出與普通形態(tài)的碳元素大不相同的物理、化學(xué)性質(zhì)。
C70
一個(gè)碳和3個(gè)碳原子相連，一個(gè)以雙鍵相連另外兩個(gè)是單鍵，平均兩個(gè)碳一個(gè)雙鍵。
(封閉的多面體化合物不飽和度等于面數減1），設五圓環(huán)X個(gè)，六圓環(huán)Y個(gè)，得
X+Y=37
（5X+6Y）/3=70
解得X=12，Y=25
即12個(gè)5環(huán)，25個(gè)6環(huán)。
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(gè)碳原子構成一個(gè)C76分子。
化學(xué)性質(zhì)穩定，但能在某些情況下在電磁情況下與淀粉溶液反應。
通過(guò)質(zhì)譜分析、X射線(xiàn)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(gè)碳原子以23個(gè)六元環(huán)和16個(gè)五元環(huán)連接而成的具有32個(gè)碳碳復合鍵（C≡ω≡C）的雙葉狀空心對稱(chēng)分子，所以， C76也被稱(chēng)為 書(shū)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(shū)，所以俗稱(chēng)書(shū)本烯。書(shū)本烯于2008年被日本科學(xué)家靈夢(mèng)托尼發(fā)現，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(lái)可能用于計算機領(lǐng)域，并廣泛進(jìn)入各位電腦愛(ài)好者的家中。另?yè)蟮婪Q(chēng)，C76還被用于某些書(shū)本中，這種書(shū)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(guò)千個(gè)個(gè)人和組織宣布于自己的產(chǎn)品中使用該材料，其中包括著(zhù)名工藝品廠(chǎng)商樽索推出的新品蓮花船鑒定證書(shū)、七年龍神（個(gè)人）推出的第五款黑尾鷗飼養說(shuō)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。
無(wú)定形碳
無(wú)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(wú)定形碳，其中含有一些由碳、氫、氮等組成的化合物。所謂無(wú)定形碳，并不是指這些物質(zhì)存在的形狀，而是指其內部結構。實(shí)際上它們的內部結構并不是真正的無(wú)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(huán)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(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(dòng)速度達到了光速的1/300，遠遠超過(guò)了電子在一般導體中的運動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱(chēng)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(jiàn)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(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
發(fā)現
誰(shuí)也不會(huì )想到，鉛筆中竟然包含著(zhù)地球上強度最高的物質(zhì)！
法國皇帝拿破侖曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“筆比劍更有威力”，然而他在200年前說(shuō)這話(huà)的時(shí)候絕對不會(huì )想到，人類(lèi)使用的普通鉛筆中竟然包含著(zhù)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，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(wú)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(fā)現以來(lái)，有關(guān)的科學(xué)研究就從未間斷過(guò)。然而直到最近，美國科學(xué)家才首次證實(shí)了人們長(cháng)久以來(lái)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(xué)發(fā)現是由曼徹斯特大學(xué)大學(xué)的Andre Geim 和他的學(xué)生Konstantin Novoselov通過(guò)實(shí)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(shuō)：“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(lái)，接著(zhù)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(lái)，這時(shí)數千小片石墨都粘到了硅片上。
比鉆石還要堅硬
硅片上有數千個(gè)肉眼看不見(jiàn)的小孔?？茖W(xué)家開(kāi)始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察，科學(xué)家花費數天時(shí)間，希望能在硅片小孔上發(fā)現合適的單原子厚的石墨烯薄片。
一旦科學(xué)家發(fā)現了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開(kāi)始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進(jìn)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)，結構非常穩定。其完美的晶格結構，常被誤認為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來(lái)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(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩定的晶格結構還使石墨烯具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì )因晶格缺陷或引入外來(lái)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?chē)荚影l(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(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現的最薄、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，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(xiàn)的制造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴”之門(mén)，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(cháng)（約合37000千米）太空電梯可能成為現實(shí)。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(guò)。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，其導電電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠遠超過(guò)了電子在金屬導體或半導體中的移動(dòng)速度。還有，其導熱性超過(guò)現有一切已知物質(zhì)。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED顯示器的開(kāi)發(fā)。據了解，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(gè)能量較低的電子遇到勢壘的時(shí)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(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(shí)候，有可能以某種方式穿透過(guò)去，這種可能性是零到一之間的一個(gè)數；而當石墨烯中電子波以極快的速度運動(dòng)到勢壘前時(shí)，就需要用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。量子電動(dòng)力學(xué)作出了一個(gè)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(shí)驗證實(shí)了量子電動(dòng)力學(xué)的預言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個(gè)電壓（相當于一個(gè)勢壘），然后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(huì )隨之增加，但事實(shí)并非如此，因為所有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應，通過(guò)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：基于它的化學(xué)結構，石墨烯具有許多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導電性、機械強度高、易于修飾及大規模生產(chǎn)等。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
