碳单质

【导读】 碳在地壳中的含量为0.026%，在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等.目前全世界已经发现的化合物种类已达400多万种，其中绝大多数是碳的化合物，不含碳的化合物不超过10万种。在现有的112种元素中，除碳以外的111种元素，它们之间所形成化合物数目，大约仅是碳这一种元素所形成化合物总数的四十分之一。碳是地球上化合物种类最多的元素。 荐稿 大毛毛笔记 神奇的碳单质 众所周知，生命的基本单位氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长，演变成为蛋白质和核酸，然后演化出原始的单细胞，又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩，直至人类。这三四十亿年的生命交响乐，它的主旋律是碳的化学演变。可以说，没有碳就没有生命。碳是生命世界的栋梁之材。 纯净的、单质状态的碳有金刚石、石墨和足球烯。它们是碳的同素异形体。而作为混合物的碳单质无定形碳，有木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。 世界上最著名的金刚石产地在南部非洲，这个地区的金刚石常常存在死火山的喷井中，人们认为它们是在极高的温度和压强下慢慢地形成的，开采出来的金刚石并没有宝石的外形和光彩，通过切割和磨光等工艺才给它们以光耀的外形，世界最大钻石是库里南一号。1905年，在南非的总理矿区发现了一块重3106克拉（计算钻石大小重量的单位，1 克拉=0.2克）的钻石原石，这一发现震惊了世界。于是，把此钻石以矿主之名托马斯·库里南爵士来命名。当时南非是英国的殖民地，人们决定将此钻石运回英国，朝贡英王爱德华七世。为安全起见，保了75万英镑的保险，但实际保的是一只空盒，而真正的钻石却用另外一只纸盒，只用普通挂号就寄回英国了。 这颗3106克拉的钻石运回英国后，皇家请了当时最负盛名的荷兰切割师安斯切尔兄弟，经过多月的揣摩研究，终于决定如何切割这颗钻石。定夺之后，将此钻石运到荷兰去切，英王派军舰护航，仍用了“金蝉脱壳”之计，军舰所护的只是空柜，而真正的钻石，却被安斯切尔放在裤袋内，坐普通火车和渡轮，安全到了荷兰工厂。当安斯切尔凝神屏住呼吸，正要一锤敲下去把钻石切开时，因紧张过度，当场晕倒，最后经多次努力终于成功，两兄弟把它切成9颗大钻石和96颗较小的钻石。这9颗大钻石中，最大的一颗被切成梨形，重530克拉，镶在英王权杖上，取名为“库里南一号”，并被称为“非洲之星”。 人造金刚石与天然金刚石在化学上是完全等同的，但它们是在实验室中生产出来的，它们是在对石墨以及作为溶剂和催化剂的金属施以极高的压强（5500大气压）和高温（2000℃）约一天的时间后制得的。金刚石是最硬的物料，它是碳的最密集的形式，密度大约是水的3.5倍。它的硬度和密度都可以用它的结构来解释。但是要注意，每个碳原子都与其它的四个最靠近的近邻形成四面体的取向，这种类型的结构能使晶体在三维空间中有很高的强度，这种刚性结构给金刚石以硬度，由于原子之间的小距离而造成的紧密性给金刚石以极高的密度，金刚石的共价网状结构是它具有极高熔点的原因。由于所有的价电子都被用来形成了共价键，因而没有一个可以自由移动，这解释了金刚石为什么是电的非导体。由于它极高的硬度，金刚石被用于切割、钻孔和研磨，金刚石常被用来作为经久耐用的唱机针头。 金刚石是最好的热导体，完整的金刚石单晶的导热性是银和铜的导热性的5倍（银和铜是最好的金属导体）。在金刚石中，热是通过振动的能量从一个碳原子到第二个碳原子的传递进行传导的，在完整的金刚石单晶中，进行这个过程的效率很高。碳原子的质量很小，把原子束缚在一起的力很强，因此能够容易地把振动的运动从一个原子传给另一个原子，它的不导电性结合着它的优良的导热性使金刚石在半导体装置方面很有用。在1722年，法国化学家拉瓦锡在纯氧中燃烧了一块透明的金刚石，得到了产物二氧化碳。这个实验向他证明金刚石中含有碳。英国化学家史密森·坦纳物特在1797年重复了这个实验，他称了金刚石和生成的二氧化碳的质量，从二氧化碳的质量表明，金刚石是纯净的碳。 金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻划法规定，以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如Cr的硬度为9，Fe为4.5，Pb为1.5，钠为0.4等。在所有单质中，金刚石的熔点最高，达3823K。金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子的杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。由于金刚石晶体中碳碳键很强，所有价电子都参与了共价键的形成。晶体中没有自由移动电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。常温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成