著名的法國化學家莫瓦桑應用電鍍方法，首次制取了活潑而毒性很大的氟；發明了高溫電爐，熔煉了鎢、钛、钼、釩等高熔點金屬，在世界享有盛譽。19世紀90年代，他開始了另一個夢想“點石成金”——把石墨轉化成金剛石。

為了實現夢想，莫瓦桑和他的團隊開始了漫長的“煉石之旅”。他試着先制取氟碳化合物，然後除去其中的氟以制取金剛石，但幾經試驗，都沒有成功。怎麼辦？

經過反複構想，他設計出一個完美的方案，然後一次又一次地按這個方案做試驗：利用自己發明的高溫電爐，把鐵熔融成鐵水；然後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所産生的壓力，迫使其中的碳原子重新排列成大晶體；最後用稀酸溶解掉鐵，這樣就可得到金剛石晶體了……1893年2月6日，莫瓦桑的“夢想”終于實現了：當他和助手用酸溶去鐵後，在石墨殘留物中，有一顆0.7毫米的晶體在閃閃發光！

這顆晶體是金剛石嗎？

莫瓦桑是世界人造金剛石第一人嗎？

1　炭碳有别

石墨與金剛石中的原子排列

在我們生活中，經常會聽到“碳”這個字和一些由它組成的詞語，但很多人常常把“炭”和“碳”混淆。譬如我們常說的能燃燒的“木炭”，燒完以後剩下的“炭灰”，以及非常重要的能源“煤炭”等，其中的“炭”說的是一種宏觀物質。而現在要提到的“碳”，是一種原子量（即相對原子質量，下同）為12的化學元素的名稱，元素符号為C，在元素周期表中排在第六位，它是構成上述各種“炭”材料的元素。換句話說，那些生活中的“炭”是“碳”的一種單質，所以它們理所當然屬于碳家族的成員。

碳家族的成員當然不止這些燃燒後供人類獲取能量的材料，還有很多平時不為燃燒而用的物質（盡管它們在一定條件下也能燃燒），比如樸實無華的石墨（鉛筆芯的主要成分），光彩耀人的鑽石。

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，這是千真萬确的事實，它們都是碳的不同形式的單質。因為鑽石價值連城，而石墨卻很常見，所以就如開頭所述，很早以前，科學家就嘗試将石墨轉化成鑽石。但這個過程非常複雜，直到科技高度發達後才能成功。

金剛石璀璨奪目，是地球上最硬的物質，石墨是最軟的礦物之一。為什麼同一種元素組成的單質會有如此大相徑庭的外貌和性質？這得從物質的組成和結構說起。

我們知道，有的物質是由原子所組成的分子構成的，比如水是由2個氫原子與一個氧原子組成的水分子構成的；有的物質則是直接由原子構成的，比如金就是由金原子按照一定的排列方式構成的。碳家族的單質屬于直接由碳原子構成的一類物質。這些碳原子以何種方式排列，以怎樣的結構存在，各原子之間的相互位置關系和作用狀态如何，就決定了最後所得物質的種類和狀态。

2　石墨和金剛石

石墨和金剛石中碳原子的排列都非常有序，不過各有不同。我們知道，碳原子最外層有4個電子，而一般原子隻有在最外層有8個電子的時候才是最穩定的，因此，單獨的碳原子是不穩定的。一個碳原子必須與最鄰近的其他4個碳原子形成共價鍵，才能達到8電子的穩定狀态，也就是說每個碳原子（我們稱之為中心碳原子）周圍應該有4個最鄰近的碳原子。那麼，這4個碳原子位于中心碳原子的什麼方位呢？

從石墨到金剛石

怎樣才能讓石墨轉化為金剛石呢？使石墨轉變為金剛石，不僅僅是用外力縮短石墨層與層之間的距離，使六角形碳環轉變為正四面體晶格，實際上還包含許多複雜因素。化學家借助熱力學作出判斷，在常溫條件下實現這個轉化，需要的壓強為1.3×109帕；如果升高溫度，如達到650℃，需要的壓強至少為4.0×109帕。從實驗條件方面來說，必須有能夠産生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設備。1954年，在溫度為1650℃、壓強為9.5×109帕的條件下，美國GE公司的科學家第一次成功合成了人造金剛石，揭開了人造金剛石工業的新篇章。

在金剛石中，這4個周邊碳原子對稱分布在中心碳原子的周圍，就好像一個正四面體，這是一種高度有序和對稱的排列。一般由微粒有序排列起來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鍵時的距離非常近（大約為0.154納米，和一個碳原子的大小差不多），之間的作用力非常強，這就是我們很難用物理方法将一顆鑽石粉碎和瓦解的原因。當然，構成如此完美無瑕的排列結構需要大自然的特殊眷顧，天然鑽石非常少，所以極其珍貴。

那石墨中碳原子的排列又有什麼不同呢？石墨中每個碳原子周圍隻有3個最鄰近的碳原子與它形成共價鍵，這3個周邊碳原子與中心碳原子位于同一個平面上，對稱地分布在中心碳原子周圍，形成正三角形，然後在同一平面上展開形成了蜂巢式的多個六邊形。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構堆砌而成。每個碳原子有4個電子，但隻形成了3個共價鍵，那麼剩下的一個電子呢？原來，剩餘的電子就在這些層與層之間自由地移動，這也就是石墨導電而金剛石不導電的原因。

嚴格來講，石墨隻能在沿着層面的方向上導電，而在垂直于層面的方向上是絕緣的。每層内以共價鍵結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，而且沒有強大的共價鍵作用，因此石墨在沿着層面方向比較容易碎裂。不過，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。

現在回到開頭的故事，莫瓦桑真的煉出了金剛石？石墨轉化為金剛石的過程如此簡單嗎？答案當然是否定的。原來，莫瓦桑一次又一次地和助手們重複試驗，有一個助手厭煩了，事先偷偷地把一顆金剛石放在鐵水裡，造成了試驗成功的假象。莫瓦桑因為人工合成金剛石而再一次聲名鵲起，赢得無數榮譽。而這件假案，直到50年後才真正大白于天下。

法國化學家莫瓦桑逝世100周年紀念郵票。莫瓦桑因制取單質氟而榮獲1906年諾貝爾化學獎

3　富勒烯——碳家族中耀眼的明星

随着人類科學水平的發展，碳家族增添了越來越多的新的成員，富勒烯便是其中一顆耀眼的明星。

繼石墨、金剛石和無定形碳之後，富勒烯是人們發現的第四種碳的同素異形體。富勒烯存在的第一個光譜證據是在1984年由美國新澤西州的艾克森實室發現的。就在這一年，英國薩塞克斯大學的譜學家克羅托正為自己的研究尋找相應的儀，他在赴美國參加的學術會議上認識了美國萊大學的科爾和斯莫利，後兩人設計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将其汽化，發并确信C60和C70是兩種相當穩定的原子簇分子，接下來他們努力想搞清楚這兩個碳家族新成員的結構。

1996年諾貝爾化學獎得主克羅托

富勒烯因構型很像建築學家富勒設計的加拿大蒙特利爾世界博覽會會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目不同，富勒烯中有限的碳原子數決定了它隻可能是一個個較小的相對獨立的結構。這時候他們想到了一個人——富勒，這位建築師設計了加拿大蒙特利爾世界博覽會會館的球形圓頂薄殼，利用正五邊形和正六邊形拼接而成的頂部近似于球面。他們覺得C60分子很有可能是一種類似于富勒設計的圓頂薄殼的球形多面體。在此啟發下，克羅托等3人用12個五邊形、20個六邊形拼出了一個中空的32面體，這就是現在我們所熟知的富勒烯的結構。在每個富勒烯分子中，五邊形互不鄰接，而是與5個六邊形相接，每個六邊形又與3個六邊形和3個五邊形間隔相接，這樣共有60個頂角，碳原子位于每個頂角上。

石墨烯晶體

一個多麼完美對稱的分子！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現（也叫巴基球，來自于富勒的名字）。由于長得極像足球，富勒烯也被叫做足球烯。而克羅托3人也因該項成就分享了1996年的諾貝爾化學獎。

自此以後，有關富勒烯的各項研究工作如火如荼地展開了。1989年，人們實驗證實了富勒烯的結構，其他碳原子數（如C28、C32、C240、C540）和非常規碳原子數（如C78、C82、C84、C90、C96）的富勒烯也相繼被各個實驗室制備出來，現在的科學家們已經能得到外接或者内嵌其他原子的富勒烯。1992年，人們甚至在自然界中也發現了這種之前被認為隻能在實驗室的苛刻條件下，或者在星際塵埃中才存在的高度對稱的完美的分子。

後來，碳家族又陸續增添了一些新成員，如碳納米管、石墨烯等，它們和金剛石一樣，表現出非常獨特而優異的性能。而新發現的另外一些新成員，比如藍絲黛爾石、蠟石、汞黝礦結構等，它們大多來自于隕石和外太空，在地球上不怎麼常見。

碳家族的新成員

4　不同凡響的碳14

見過達·芬奇名作《最後的晚餐》的人都知道，這幅名畫描繪的是基督耶稣被自己的門徒猶大出賣，被釘死在十字架上之前享用最後晚餐的情形。公元33年左右，耶稣被釘死在十字架上後，被一個叫約瑟的好心人取下，約瑟用細麻布将耶稣的屍體裹好放在石頭墳墓裡。3天之後，耶稣複活逃走，将那塊裹屍布留在了墓穴中。這塊裹屍細麻布後來下落不明，被基督徒視為聖物。直到1355年它被一位法國騎士帶到了公衆視野，據稱這件聖物是十字軍東征君士坦丁堡時得到的。1578年，裹屍布被送到現在的意大利，作為羅馬天主教的聖物之一保存在特意為它修建的都靈大教堂内。

碳14的故事就和這塊裹屍布有關。在科技不太發達的那個年代，人們沒有任何技術手段來探究這塊裹屍布的真僞，于是這件聖物也就理所當然地被人們認可并膜拜。但在1988年，這塊裹屍布的真實性卻遭到了質疑，質疑的有力證據就來自于碳14年代檢測法。

達·芬奇名作《最後的晚餐》

碳14含有6個質子和8個中子，原子量為14，它是一種具有放射性的原子，每時每刻總有一些碳原子會放射出射線并變成其他原子。科學家發現了一個有趣的規律，就是每隔大約5730年，原有的碳14原子數量就會減少一半。放射性物質蛻變後，使原有數量減少一半所需的時間，稱為“半衰期”，因此碳14的半衰期就是5730年。當自然界中的生物存活時，可以通過呼吸作用與大氣交換碳14，其體内碳14的含量基本不變。當生物死亡之後，這種碳素交換過程便停止了，原來體内的碳14得不到補充，而它的放射蛻變過程卻依然在繼續。于是從這時候開始，每隔5730年，其體内碳14的含量就減少到原來的一半，那麼每隔11460年就減少到原來的四分之一……碳14年代測定法就是根據這個原理發展起來的一種推斷古物或者化石年代的技術。

保存在意大利都靈大教堂的“耶稣裹屍布”，C14年代檢測技術證明這塊裹屍布是一件赝品

讓我們回到剛才那塊亞麻裹屍布上。在教廷的同意和監督下，一小塊裹屍布被剪下并分成3份，分别交給了美國亞利桑那大學、英國牛津大學考古學研究所和瑞士蘇黎世聯邦理工學院的實驗室，由他們分别獨立地用碳14法來測定“裹屍布”的年代。最後的結果是，3個舉世聞名的實驗室得到的數據大緻相同，制成“裹屍布”的亞麻是在公元1260—1390年之間的某個時候收割的，這個時間比耶稣釘死時（約公元30年）晚了整整1000多年！當然，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稣的身上，所以，這件大名鼎鼎的聖物不過是14世紀的人根據傳說僞造的一件赝品。碳14為澄清曆史懸案立了大功。

關于碳的學科——有機化學

你知道嗎，除了石墨、金剛石等單質形式，碳還以另外一種重要的與氫原子結合的形式存在，而且已經發展成為一門學科——有機化學。

有機物分子中碳原子的數目千變萬化，從一兩個到成千上萬，再加上不同的氫原子數目以及其他原子的加入，因此和無機物相比，有機物可以說是數目繁多，目前人類已知的有機物達上億種，其數量遠遠超過無機物。

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