碳的奇妙世界：从有机化合物到碳纤维

Carbon
相对原子质量12.01

名字的起源有很多种说法，其中主流说法是来自拉丁语carbo（木炭）。据说词源来自印欧语族的ker（燃烧）。

自古以来最让人们熟知的，几乎全部由碳构成的物质就是木炭。劈柴点燃后就会生成木炭。木炭是无定形碳，没有清晰的晶体结构。碳黑也是一种无定形碳，工业上可生产出粒子大小相近的碳黑。

其他全部由碳元素（碳的同位素）构成的物质，就是晶体结构和分子十分清晰的金刚石、石墨和富勒烯。

黑乎乎的木炭（晶体结构最明显的是石墨）和无色透明且坚硬无比的金刚石都是只由碳元素构成的，它们燃烧后都只会生成二氧化碳。我曾经做过一个实验，在石英管中放入金刚石，并通入氧气，使其加热燃烧，经过证实得到的全部气体只有二氧化碳。

碳的化合物多达一亿多种，并且碳化合物构成了有机物（有机化合物）的世界。碳作为生物体的主要构成元素之一，关系着生命的各种机能。淀粉、蛋白质和脂肪都是碳元素组成的化合物，也就是有机物。在自然界中，植物通过光合作用以二氧化碳和水为原料生产有机物；在海底热泉生态系统中，化学合成自营细菌在无法进行光合作用的地方可将无机物转化为有机物。这些有机化合物构成了生命体，也是我们生活能量来源。

天然纤维、合成纤维和塑料也是碳的化合物。石油、煤、天然气这样的化石燃料也是由有机物演变而来的。化石燃料燃烧产生的二氧化碳是温室气体，导致了温室效应。

你买冰激凌时通常会被赠送一包干冰。干冰就是“干了的冰”的意思。在我们生活的标准大气压下，二氧化碳不会变成液态，而是从固态直接变成气态，因此被称为“干”，这样的变化被称为“升华”。干冰的正式名称是固态二氧化碳，也就是固体状态的二氧化碳气体。把白色干冰固体静置，它不会变成液体，而是变成二氧化碳气体，而干冰固体也逐渐变小。正是由于干冰有不会变为液体、温度在-80℃左右、小巧轻便的特点，经常被用作食品运输的冷藏剂。干冰被成功工业化大量生产是1925年美国纽约的干冰股份有限公司，当时将制成的成品命名为干冰。由于干冰的诞生，当时可以成功地运送冰激凌且保证其不融化。

日本从美国购入设备，于1928年开始制造干冰。

首先把气体压缩到很小，再从小孔中急速喷出，令其急剧膨胀，这样可让温度大幅下降（绝热膨胀原理），不断重复这个操作，就可得到干冰。这也是云形成的原理。(www.xing528.com)

这样一来，二氧化碳就会由于加压变成液态。液态二氧化碳向容器中喷出后，会变成像雪一样的粉末状，并堆积在容器内。这时，被送入容器的液态二氧化碳的体积是干冰的二倍。因为有一半的干冰会吸热变回二氧化碳气体。而这些气体会被回收，再次作为制作干冰的原料。将容器内粉末状的干冰攥到一起，就得到了硬硬的干冰。

如果把干冰放在玻璃瓶内密封，玻璃瓶也许会发生破裂，这样的事故发生过很多次，但即使放进塑料瓶中也是危险的。曾经有一些高中生制造恶作剧，把水和干冰装进一个塑料瓶并密封起来，随后就发生了爆炸。我请电视台做过一个实验，还原这个恶作剧，结果发生了大爆炸，碎片飞到了十几米远的地方。

今天的科学研究中，碳的同素异形体分别有无定形碳、石墨、金刚石这三种。大家普遍认为：碳是一个十分常见的元素，已经被研究得很充分了，不会再有其他的同素异形体了。

但令人意想不到的是，一种由60个碳原子构成的含有12个五边形和20个六边形的球体被发现了，它的形状酷似一个精美的足球（1985年，H.W.kroto和R.E.Smally共同发现，并因此于1996年获得诺贝尔化学奖）。

其实，在这个分子被发现的十五年以前，日本的大泽映二博士就曾经预言过它的存在。后来，C70、C76、C78、C84等碳元素更多的分子逐个被发现。不光有球状结构，还有筒状结构，比如碳纳米管，而这些分子统称为富勒烯。现在有很多研究者都在探索：其他原子插入这些分子内部空间后，产生的新分子的物理、化学性质以及在医学上的应用。

碳纤维是仅由碳元素构成的、黑色、直径只有头发十分之一的细小纤维。碳纤维可以被织成布。虽然碳纤维很少被单独使用，但它经常和塑料、陶瓷以及金属共同使用组成复合材料，制作成耐用度高、轻便的材料。由于它比金属轻、强度高、耐用度高的特质，飞机、火箭、人造卫星、汽车、渔竿、高尔夫用品、网球拍、自行车架、帆船、文具、精密仪器等在制作时都会使用。

一种纯物质，如果无论用任何化学方法都无法将其分为两种以上的物质，且无论任何两种及以上的物质如何组合也无法构成这个纯物质时，这个纯物质就被定义为元素。

比如，氢和氧就不可能再分成其他物质，所以它们属于元素。