碳的“七十二变”

碳之产生

我国四大名著之一《西游记》中的孙悟空神通广大，擅长“七十二变”，当然，那是神话小说塑造的形象，但你可曾想在自然界中的化学元素也有各式各样的“变幻”，那就是化学世界中元素单质的同素异形体。这些同素异形体组成元素相同，但是其物理性质千变万化。在100多种化学元素中，变化最多的当属碳元素。那么碳元素是怎么产生的呢？碳元素的产生与恒星核聚变有关，随着恒星的进化，恒星核内氢经过核聚变转化为氦，恒星在重力的作用下开始向内塌陷，这种塌陷增加了恒星内部温度和压力，直至氦经过核聚变反应形成了碳。

图1 碳 图源自网络

碳之发现

已有文献记载，从有人类出现在地球上，就和碳有了亲密的接触。下雨打雷，闪电交加，导致木柴燃烧残留下的残渣诸如木炭，原始社会人们用燃着的木棒驱逐野兽动物，动物被烧死后，就会剩下骨碳，这样碳就被人们所知道，在古代碳就被人们所发现，但是发现碳的准确日期还未有史料记载。1789年拉瓦锡编制《元素表》，在这时，碳作为元素首次正式出现在大众视野。

在此之前，也有碳的踪影，只是还不知道它是碳元素，在我国魏晋时有相关记载：“石墨可书，又燃之难尽，亦谓之石炭”。

石墨在16世纪被欧洲人发现误认为是含铅的物质，称为可以“绘画的铅”，1779年瑞典化学家舍勒将“绘画的铅”与硝酸钾共熔后产生二氧化碳气体，这才确定它为一种矿物木炭。1722年，法国化学家拉瓦锡进行了燃烧金刚石的实验，把金刚石放在用水密封的玻璃钟罩内，加热发现：澄清石灰水检验密封用水时产生白色沉淀，这和燃烧木炭所得到的结果一样，拉瓦锡认为在金刚石和木炭中含有相同的成分，命名为carbon[1]。在20世纪初carbon传入我国，被命名为“碳”,开始流行使用，所以“碳”是100％Ｃ，而“炭”的使用追溯到古人记载的木炭、焦炭等。

碳之认识

我相信学习过化学的人们都对对碳元素耳闻能详，脱口说出碳在元素周期表中排第六，相对原子质量为12.0107，原子核最外层电子数为4，既不容易失去电子，也容易得到电子，化学价态为负4价和正4价，化学性质比较稳定，可以呈现单键、双键、三键等多种价态，也正因碳元素这种特殊性，构造出千姿百态的碳单质。目前可以查找到的碳的同素异形体有数十种。诸如石墨、金刚石、C60、碳钠米管等，有学者把碳的同素异形体分为无定形碳、过渡碳、晶形碳等3大类，每一大类下又包含许多小类。由此可见，碳家族成员数量庞大，种类繁多。

碳之应用

碳属于非金属元素，由于其特殊结构，它的化学性质比较稳定，在自然界中常以单质形式存在。但在高温条件下，比较活泼，与氧、氢结合，形成新的化合物，碳的家族又庞大起来，下面碳家族成员的多变应用。

（一）碳与工业领域

碳在工业上的运用可谓神通广大，碳单质有：金刚石、石墨、焦炭、活性炭、木炭等，家族成员庞大，因此用途也包罗万象。工业之碳主要以碳为原料，冶炼金属制品、工业产品等。比如焦炭炼铁，1961年我国广东新会发掘南宋末年炼铁遗址时，除找到炉渣、石灰石、铁矿石外，还找到了焦炭，是世界上冶铁用焦炭的最早实例。

1709年，英国Abraham Darby I采用焦炭替代木炭炼铁获得成功，并获得了这项技术专利。焦炭炼铁主要是铁在燃烧过程中，高炉内部温度控制在1800℃～1900℃之间，在此温度下，铁可以更好地进行氧化还原反应，通过装料系统不断向高炉设备内部输送焦炭，保证高炉内部温度处于相对平稳的状态。在冶炼过程中，焦炭要到达风口时，风口的高温会使焦炭产生化学反应，同时生成二氧化碳，实现大量热量释放。在二氧化碳数量持续增长过程中，由于缺乏氧气进行化学反应，使二氧化碳在大量热量情况下形成H2和CO，H2和CO作为高炉内部铁氧化物的还原剂，能够还原高炉内部大量铁元素，这也是确保高炉内部冶炼铁质量和产量的一个重要的化学反应以及步骤[2]。

图 2焦炭 图源自网络

（二）碳与生活领域

据中国水资源公报查知，我国2018年全国废污水排放总量达到了750亿吨，水体中排放污染物种类繁杂、处理困难等特点。解决污水问题迫在眉睫，相应地对污水治理提出了更高要求，采用环保性材料对污水进行治理，不产生副产物，不会对环境进行二次污染，因此迫切需要能够解决污水问题的环保材料。

在此情况下碳氏家族成员——活性炭发挥了神奇的作用。活性炭是一种具有特殊微晶结构、发达孔隙结构、较大表面积、强吸附性的含碳材料，化学稳定性好，具有耐酸、耐碱、耐高温等特点。活性炭难溶于水和有机溶剂，既可在气体中使用，也可以在液体中使用，再加上表面的疏水性可以从水溶液中吸附各种物质，根据这一特点被广泛应用在水污染问题处理中。

活性炭在众多的吸附剂中名列前茅，不仅仅是因为它的孔结构，与它的化学组成也有密切关系。除此之外，活性炭表面是非极性或弱极性的，和其他大多数吸附剂相反，这些优势特点结合起来使活性炭成为一种优质的吸附剂。人们对活性炭的探索并未停止，对活性炭的技术开发越来越多，其应用范围拓展到了改良土壤、大气污染、食品领域等[3]。总之，活性炭对我们的生活发挥了巨大作用，使我们的生活更加健康、环保。

说起碳在生活中的用处，不得不提金刚石，人们对它是爱不释手。金刚石又叫“金刚钻”，是一种由碳元素组成的矿物，是钻石的原身。金刚石颜色各色各异，硬度大，反光性强，可以反射出形色各异的光，金刚石作为钻石是极具价值的技术材料，它可以吸收太阳光中的短波波段，成为紫外线的理想储藏器，可以为人体杀菌消毒，平衡阴阳气血，让皮肤充满活力，因此深受人们喜爱[4]。

几千年前，印度曾是世界上最早发现钻石的地方，时隔一段时间，1725年巴西开采出大量钻石，这使得巴西取代印度成为了当时全球最重要的钻石产地。直到1867年，真正的钻石王国登上了历史舞台，就是南非。1905年，在南非阿扎氏亚发现了最大的钻石：库利南钻石，有幸将这颗巨钻镶嵌在英王的权杖上，象征着英王的权势，南非的钻石产量到现在依然处于世界前列，并由此开创了钻石业的新纪元，金刚石发挥着它闪烁的光芒，服务着人们。

图 3 活性炭 图源自网络

图 4 金刚石 图源自网络

（三）碳与纳米领域

碳家族在纳米领域发挥的作用就比较“高大上”了，听我和大家慢慢说来。纳米技术是用尖端的科学手段来控制分子尺寸的一门技术，纳米材料独特的物理性质、化学性质使纳米科学成为世界上三大支柱科学之一[5]。碳元素则是纳米材料一直寻求的重要材料，吸引着众多科学家去探索，发现了碳元素的许多新型物质，从零维的富勒烯C60、一维的碳纳米管到二维的石墨烯，碳的同素异形体不断被丰富。

富勒烯C60，是由英国化学家克罗托、美国化学家斯莫利和柯尔研究小组在1985年发现了零维碳材料———富勒烯，由60个碳原子组成的空心圆球状具有芳香性的分子。富勒烯C60是含有众多双键、具有独特笼型结构的三维芳香化合物，化学家们通过给富勒烯分子上引入亲水、亲油或强极性的基团，来改变富勒烯分子的相互作用，制成多样的富勒烯衍生物纳米材料。这些富勒烯衍生物纳米材料具有特殊的超导性、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等优异性质，在纳米粒子材料领域普遍应用。比如作为新型纳米催化剂，用水溶性富勒烯纳米材料作为载体，与二氧化钯配位形成新型富勒烯纳米钯催化剂，其具有用量较少，方便回收，减少原料成本等优点。

作为疏水材料，因为富勒烯衍生物纳米粒子材料具有优良的疏水性、较强的耐高温性，通过组装形成纳米粒子、纤维等不同样态的纳米材料，被用作疏水材料[6]。富勒烯衍生物纳米粒子材料作为太阳能电池也是不错的选择，制成富勒烯太阳能电池，方便人类使用，富勒烯衍生物纳米粒子材料用途可不仅仅这些，它用途广泛，给人们各行各业带来诸多益处，造福着人类。

说到这里，还想为大家介绍碳在纳米领域另一贡献，那就是碳纳米管。碳纳米管最早是由日本教授饭岛澄男1991年发现，根据纳米管中碳原子层数不同，可以将其大致分为单壁管和多壁管2类。碳纳米管是一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接非常完美，具有超常的电学、力学、化学性能，因其特异性质在众多领域运用广泛。因其可以装载大量小分子药物以及生物大分子，具有保护性、释放性功能，被用作小分子药物的转运，广泛应用在生物医学。因其具备良好的导电性可以在航空航天用作轻质导线，制备轻质电子器件。也因其具有良好的光学和电学性能，被用作食品添加剂的电化学技术[7]。

图 5 富勒烯C60 图源自网络

图 6碳纳米管 图源自网络

总结

碳，是不是很神奇？看看它和它的伙伴有没有觉得它们就在我们的身边，低调地服务于生活的方方面面。从最贴近我们的生活领域，到突飞猛进的工业领域；从人类生存中作为金属制品的焦炭，到表达爱意浓浓的炫亮钻石；从污水环保处理的活性炭到用途广泛的碳纳米管“天梯”等等。这都是“碳”性能展现的不同状态，这些多元化的性能，也使得科学家们为之着迷，对“碳”的研究也成为了他们永不放弃的目标。