著名的法國(guó)化學(xué)家莫瓦桑應(yīng)用電鍍方法，首次制取了活潑而毒性很大的氟；發(fā)明了高溫電爐，熔煉了鎢、鈦、鉬、釩等高熔點(diǎn)金屬，在世界享有盛譽(yù)。19世紀(jì)90年代，他開始了另一個(gè)夢(mèng)想“點(diǎn)石成金”——把石墨轉(zhuǎn)化成金剛石。
為了實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，莫瓦桑和他的團(tuán)隊(duì)開始了漫長(zhǎng)的“煉石之旅”。他試著先制取氟碳化合物，然后除去其中的氟以制取金剛石，但幾經(jīng)試驗(yàn)，都沒(méi)有成功。怎么辦？經(jīng)過(guò)反復(fù)構(gòu)想，他設(shè)計(jì)出一個(gè)完美的方案，然后一次又一次地按這個(gè)方案做試驗(yàn)：利用自己發(fā)明的高溫電爐，把鐵熔融成鐵水；然后把炭投入這高溫鐵水中；再把這鐵水倒入冷水中，借助鐵的急劇冷卻收縮時(shí)所產(chǎn)生的壓力，迫使其中的碳原子重新排列成大晶體；最后用稀酸溶解掉鐵，這樣就可得到金剛石晶體了……1893年2月6日，莫瓦桑的“夢(mèng)想”終于實(shí)現(xiàn)了：當(dāng)他和助手用酸溶去鐵后，在石墨殘留物中，有一顆0.7毫米的晶體在閃閃發(fā)光！在我們生活中，經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到“碳”這個(gè)字和一些由它組成的詞語(yǔ)，但很多人常常把“炭”和“碳”混淆。譬如我們常說(shuō)的能燃燒的“木炭”，燒完以后剩下的“炭灰”，以及非常重要的能源“煤炭”等，其中的“炭”說(shuō)的是一種宏觀物質(zhì)。而現(xiàn)在要提到的“碳”，是一種原子量（即相對(duì)原子質(zhì)量，下同）為12的化學(xué)元素的名稱，元素符號(hào)為C，在元素周期表中排在第六位，它是構(gòu)成上述各種“炭”材料的元素。換句話說(shuō)，那些生活中的“炭”是“碳”的一種單質(zhì)，所以它們理所當(dāng)然屬于碳家族的成員。碳家族的成員當(dāng)然不止這些燃燒后供人類獲取能量的材料，還有很多平時(shí)不為燃燒而用的物質(zhì)（盡管它們?cè)谝欢l件下也能燃燒），比如樸實(shí)無(wú)華的石墨（鉛筆芯的主要成分），光彩耀人的鉆石。表面上相差很大的這兩種東西，居然是同宗同族的兄弟？不要奇怪，這是千真萬(wàn)確的事實(shí)，它們都是碳的不同形式的單質(zhì)。因?yàn)殂@石價(jià)值連城，而石墨卻很常見(jiàn)，所以就如開頭所述，很早以前，科學(xué)家就嘗試將石墨轉(zhuǎn)化成鉆石。但這個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜，直到科技高度發(fā)達(dá)后才能成功。
金剛石璀璨奪目，是地球上最硬的物質(zhì)，石墨是最軟的礦物之一。為什么同一種元素組成的單質(zhì)會(huì)有如此大相徑庭的外貌和性質(zhì)？這得從物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)說(shuō)起。我們知道，有的物質(zhì)是由原子所組成的分子構(gòu)成的，比如水是由2個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子組成的水分子構(gòu)成的；有的物質(zhì)則是直接由原子構(gòu)成的，比如金就是由金原子按照一定的排列方式構(gòu)成的。碳家族的單質(zhì)屬于直接由碳原子構(gòu)成的一類物質(zhì)。這些碳原子以何種方式排列，以怎樣的結(jié)構(gòu)存在，各原子之間的相互位置關(guān)系和作用狀態(tài)如何，就決定了最后所得物質(zhì)的種類和狀態(tài)。石墨和金剛石中碳原子的排列都非常有序，不過(guò)各有不同。我們知道，碳原子最外層有4個(gè)電子，而一般原子只有在最外層有8個(gè)電子的時(shí)候才是最穩(wěn)定的，因此，單獨(dú)的碳原子是不穩(wěn)定的。一個(gè)碳原子必須與最鄰近的其他4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，才能達(dá)到8電子的穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說(shuō)每個(gè)碳原子（我們稱之為中心碳原子）周圍應(yīng)該有4個(gè)最鄰近的碳原子。那么，這4個(gè)碳原子位于中心碳原子的什么方位呢？
怎樣才能讓石墨轉(zhuǎn)化為金剛石呢？使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸粌H僅是用外力縮短石墨層與層之間的距離，使六角形碳環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)檎拿骟w晶格，實(shí)際上還包含許多復(fù)雜因素。化學(xué)家借助熱力學(xué)作出判斷，在常溫條件下實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)化，需要的壓強(qiáng)為1.3×109帕；如果升高溫度，如達(dá)到650℃，需要的壓強(qiáng)至少為4.0×109帕。從實(shí)驗(yàn)條件方面來(lái)說(shuō)，必須有能夠產(chǎn)生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設(shè)備。1954年，在溫度為1650℃、壓強(qiáng)為9.5×109帕的條件下，美國(guó)GE公司的科學(xué)家第一次成功合成了人造金剛石，揭開了人造金剛石工業(yè)的新篇章。
在金剛石中，這4個(gè)周邊碳原子對(duì)稱分布在中心碳原子的周圍，就好像一個(gè)正四面體，這是一種高度有序和對(duì)稱的排列。一般由微粒有序排列起來(lái)的固體我們稱之為晶體，金剛石就是碳的最完美晶體。金剛石中的碳原子形成共價(jià)鍵時(shí)的距離非常近（大約為0.154納米，和一個(gè)碳原子的大小差不多），之間的作用力非常強(qiáng)，這就是我們很難用物理方法將一顆鉆石粉碎和瓦解的原因。當(dāng)然，構(gòu)成如此完美無(wú)瑕的排列結(jié)構(gòu)需要大自然的特殊眷顧，天然鉆石非常少，所以極其珍貴。石墨中每個(gè)碳原子周圍只有3個(gè)最鄰近的碳原子與它形成共價(jià)鍵，這3個(gè)周邊碳原子與中心碳原子位于同一個(gè)平面上，對(duì)稱地分布在中心碳原子周圍，形成正三角形，然后在同一平面上展開形成了蜂巢式的多個(gè)六邊形。以六邊形所在的平面為一層，石墨便由這種一層層的層狀結(jié)構(gòu)堆砌而成。每個(gè)碳原子有4個(gè)電子，但只形成了3個(gè)共價(jià)鍵，那么剩下的一個(gè)電子呢？原來(lái)，剩余的電子就在這些層與層之間自由地移動(dòng)，這也就是石墨導(dǎo)電而金剛石不導(dǎo)電的原因。嚴(yán)格來(lái)講，石墨只能在沿著層面的方向上導(dǎo)電，而在垂直于層面的方向上是絕緣的。每層內(nèi)以共價(jià)鍵結(jié)合的碳原子之間的距離也很小，大約為0.142納米，因此它們之間也是牢不可破的。層與層之間的距離則要大得多，大概有0.340納米，而且沒(méi)有強(qiáng)大的共價(jià)鍵作用，因此石墨在沿著層面方向比較容易碎裂。不過(guò)，和金剛石一樣，石墨中的碳原子排列也是高度有序的，因此石墨也是一種碳的晶體。現(xiàn)在回到開頭的故事，莫瓦桑真的煉出了金剛石？石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的過(guò)程如此簡(jiǎn)單嗎？答案當(dāng)然是否定的。原來(lái)，莫瓦桑一次又一次地和助手們重復(fù)試驗(yàn)，有一個(gè)助手厭煩了，事先偷偷地把一顆金剛石放在鐵水里，造成了試驗(yàn)成功的假象。莫瓦桑因?yàn)槿斯ず铣山饎偸僖淮温暶o起，贏得無(wú)數(shù)榮譽(yù)。而這件假案，直到50年后才真正大白于天下。法國(guó)化學(xué)家莫瓦桑逝世100周年紀(jì)念郵票。莫瓦桑因制取單質(zhì)氟而榮獲1906年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨著人類科學(xué)水平的發(fā)展，碳家族增添了越來(lái)越多的新的成員，富勒烯便是其中一顆耀眼的明星。
繼石墨、金剛石和無(wú)定形碳之后，富勒烯是人們發(fā)現(xiàn)的第四種碳的同素異形體。富勒烯存在的第一個(gè)光譜證據(jù)是在1984年由美國(guó)新澤西州的艾克森實(shí)室發(fā)現(xiàn)的。就在這一年，英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的譜學(xué)家克羅托正為自己的研究尋找相應(yīng)的儀，他在赴美國(guó)參加的學(xué)術(shù)會(huì)議上認(rèn)識(shí)了美國(guó)萊大學(xué)的科爾和斯莫利，后兩人設(shè)計(jì)的儀器讓克托眼前一亮。這次偶然的相遇促成了3人的作，他們用高功率激光轟擊石墨將其汽化，發(fā)并確信C60和C70是兩種相當(dāng)穩(wěn)定的原子簇分子，接下來(lái)他們努力想搞清楚這兩個(gè)碳家族新成員的結(jié)構(gòu)。1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主克羅托富勒烯因構(gòu)型很像建筑學(xué)家富勒設(shè)計(jì)的加拿大蒙特利爾世界博覽會(huì)會(huì)館球形圓頂薄殼而得名和石墨及金剛石中巨大的碳原子數(shù)目不同，富勒烯中有限的碳原子數(shù)決定了它只可能是一個(gè)個(gè)較小的相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。這時(shí)候他們想到了一個(gè)人——富勒，這位建筑師設(shè)計(jì)了加拿大蒙特利爾世界博覽會(huì)會(huì)館的球形圓頂薄殼，利用正五邊形和正六邊形拼接而成的頂部近似于球面。他們覺(jué)得C60分子很有可能是一種類似于富勒設(shè)計(jì)的圓頂薄殼的球形多面體。在此啟發(fā)下，克羅托等3人用12個(gè)五邊形、20個(gè)六邊形拼出了一個(gè)中空的32面體，這就是現(xiàn)在我們所熟知的富勒烯的結(jié)構(gòu)。在每個(gè)富勒烯分子中，五邊形互不鄰接，而是與5個(gè)六邊形相接，每個(gè)六邊形又與3個(gè)六邊形和3個(gè)五邊形間隔相接，這樣共有60個(gè)頂角，碳原子位于每個(gè)頂角上。一個(gè)多么完美對(duì)稱的分子！碳家族的第四位成員終于正式浮出水面。為了表示感謝和敬意，克羅托3人用富勒的名字命名他們的新發(fā)現(xiàn)（也叫巴基球，來(lái)自于富勒的名字）。由于長(zhǎng)得極像足球，富勒烯也被叫做足球烯。而克羅托3人也因該項(xiàng)成就分享了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。自此以后，有關(guān)富勒烯的各項(xiàng)研究工作如火如荼地展開了。1989年，人們實(shí)驗(yàn)證實(shí)了富勒烯的結(jié)構(gòu)，其他碳原子數(shù)（如C28、C32、C240、C540）和非常規(guī)碳原子數(shù)（如C78、C82、C84、C90、C96）的富勒烯也相繼被各個(gè)實(shí)驗(yàn)室制備出來(lái)，現(xiàn)在的科學(xué)家們已經(jīng)能得到外接或者內(nèi)嵌其他原子的富勒烯。1992年，人們甚至在自然界中也發(fā)現(xiàn)了這種之前被認(rèn)為只能在實(shí)驗(yàn)室的苛刻條件下，或者在星際塵埃中才存在的高度對(duì)稱的完美的分子。后來(lái)，碳家族又陸續(xù)增添了一些新成員，如碳納米管、石墨烯等，它們和金剛石一樣，表現(xiàn)出非常獨(dú)特而優(yōu)異的性能。而新發(fā)現(xiàn)的另外一些新成員，比如藍(lán)絲黛爾石、蠟石、汞黝礦結(jié)構(gòu)等，它們大多來(lái)自于隕石和外太空，在地球上不怎么常見(jiàn)。見(jiàn)過(guò)達(dá)·芬奇名作《最后的晚餐》的人都知道，這幅名畫描繪的是基督耶穌被自己的門徒猶大出賣，被釘死在十字架上之前享用最后晚餐的情形。公元33年左右，耶穌被釘死在十字架上后，被一個(gè)叫約瑟的好心人取下，約瑟用細(xì)麻布將耶穌的尸體裹好放在石頭墳?zāi)估铩?天之后，耶穌復(fù)活逃走，將那塊裹尸布留在了墓穴中。這塊裹尸細(xì)麻布后來(lái)下落不明，被基督徒視為圣物。直到1355年它被一位法國(guó)騎士帶到了公眾視野，據(jù)稱這件圣物是十字軍東征君士坦丁堡時(shí)得到的。1578年，裹尸布被送到現(xiàn)在的意大利，作為羅馬天主教的圣物之一保存在特意為它修建的都靈大教堂內(nèi)。
碳14的故事就和這塊裹尸布有關(guān)。在科技不太發(fā)達(dá)的那個(gè)年代，人們沒(méi)有任何技術(shù)手段來(lái)探究這塊裹尸布的真?zhèn)危谑沁@件圣物也就理所當(dāng)然地被人們認(rèn)可并膜拜。但在1988年，這塊裹尸布的真實(shí)性卻遭到了質(zhì)疑，質(zhì)疑的有力證據(jù)就來(lái)自于碳14年代檢測(cè)法。碳14含有6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子，原子量為14，它是一種具有放射性的原子，每時(shí)每刻總有一些碳原子會(huì)放射出射線并變成其他原子?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的規(guī)律，就是每隔大約5730年，原有的碳14原子數(shù)量就會(huì)減少一半。放射性物質(zhì)蛻變后，使原有數(shù)量減少一半所需的時(shí)間，稱為“半衰期”，因此碳14的半衰期就是5730年。當(dāng)自然界中的生物存活時(shí)，可以通過(guò)呼吸作用與大氣交換碳14，其體內(nèi)碳14的含量基本不變。當(dāng)生物死亡之后，這種碳素交換過(guò)程便停止了，原來(lái)體內(nèi)的碳14得不到補(bǔ)充，而它的放射蛻變過(guò)程卻依然在繼續(xù)。于是從這時(shí)候開始，每隔5730年，其體內(nèi)碳14的含量就減少到原來(lái)的一半，那么每隔11460年就減少到原來(lái)的四分之一……碳14年代測(cè)定法就是根據(jù)這個(gè)原理發(fā)展起來(lái)的一種推斷古物或者化石年代的技術(shù)。保存在意大利都靈大教堂的“耶穌裹尸布”，C14年代檢測(cè)技術(shù)證明這塊裹尸布是一件贗品讓我們回到剛才那塊亞麻裹尸布上。在教廷的同意和監(jiān)督下，一小塊裹尸布被剪下并分成3份，分別交給了美國(guó)亞利桑那大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)考古學(xué)研究所和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，由他們分別獨(dú)立地用碳14法來(lái)測(cè)定“裹尸布”的年代。最后的結(jié)果是，3個(gè)舉世聞名的實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)大致相同，制成“裹尸布”的亞麻是在公元1260—1390年之間的某個(gè)時(shí)候收割的，這個(gè)時(shí)間比耶穌釘死時(shí)（約公元30年）晚了整整1000多年！當(dāng)然，這塊亞麻布不可能穿越到1000多年以前去裹在被釘死在十字架的耶穌的身上，所以，這件大名鼎鼎的圣物不過(guò)是14世紀(jì)的人根據(jù)傳說(shuō)偽造的一件贗品。碳14為澄清歷史懸案立了大功。關(guān)于碳的學(xué)科——有機(jī)化學(xué)你知道嗎，除了石墨、金剛石等單質(zhì)形式，碳還以另外一種重要的與氫原子結(jié)合的形式存在，而且已經(jīng)發(fā)展成為一門學(xué)科——有機(jī)化學(xué)。有機(jī)物分子中碳原子的數(shù)目千變?nèi)f化，從一兩個(gè)到成千上萬(wàn)，再加上不同的氫原子數(shù)目以及其他原子的加入，因此和無(wú)機(jī)物相比，有機(jī)物可以說(shuō)是數(shù)目繁多，目前人類已知的有機(jī)物達(dá)上億種，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)機(jī)物。來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)，僅用于學(xué)術(shù)交流，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。
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