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杂说生活中的碳（1）碳的单质
我曾经写过杂说生活中的化学元素系列博文，介绍了我们生活中的一些常见化学元素，但是对碳元素却没有专门写文章介绍。其原因实在很简单，因为碳元素对于我们实在是太重要了，组成我们身体的分子，除了水分子之外，几乎都含有碳元素。也正因为碳元素对于我们的身体、生活太过重要，所以用一篇文章来说，就不知道从哪里说起，也不知道说些什么好。如今用几篇文章来专说生活中的碳。
碳元素是组成所有生物最重要的元素。传统上，人们把与生命有关的分子称为有机分子，而有机分子都含有碳元素，研究这些分子组成、性质和反应的学科便是有机化学。
我们要在这个世界上生存、生长，总需要能量。
吃饭，是补充能量，有饭吃，人才能活下去。煮熟的饭，才能更好吃。煮饭也需要能量。
有衣服穿，在冬天才不至于冻毙，如果天气特别冷，还需要取暖，做衣服、取暖都需要能量。
上面所说的这些能量，例如吃饭消化，给身体各部分供给能量，过程非常复杂，但是归根结底，这些能量都来自碳的氧化，即碳元素与氧元素结合生成二氧化碳。
C + O2 = CO2
生活中与这个化学反应方程式最接近的过程就是木炭的燃烧。这个化学反应是放热反应，以热的方式释放出能量。
木炭由干燥的树木在密闭的环境中加热而烧成。白居易的《卖炭翁》说：“卖炭翁，伐薪烧炭南山，满面尘灰烟火色，两鬓苍苍十指黑。”干燥树木的主要成分是纤维素和木质素，这两种化合物都由碳、氢、氧三种元素构成。在木材中，也有少量的蛋白质，这样，除了碳氢氧三种元素之外，还会有少量的氮元素和硫元素。在高温时，纤维素和木质素都会分解，其中的氢气和氧气（以及它们组成的水）和一部分碳以及木柴蛋白质中少量的氮元素和硫元素一起构成烟，散发在周围的空气中，所以烧炭的老翁是“满面尘灰烟火色”。碳的熔点非常非常高，所以在高温下，木柴中的碳元素仍然是固体，留下来的就是黑色的木炭。老翁搬动木炭，手不容易洗干净，就“两鬓苍苍十指黑”。
木炭基本上就是碳的单质了。它的燃烧就是上面所示的那个方程式。
如果我们直接燃烧干燥的木柴或者柴草（柴草的化学成分也主要是纤维素和木质素），那么就会产生火焰和烟气。
细心的朋友会看出来，上面的叙述中，有两个不同的“tan”字，一个是碳，另一个是炭。炭是传统的字，烧炭、木炭等传统生活词汇中都用这个字。作为化学元素，化学家新造了一个碳字，碳是一种非金属元素，它的主要几种单质在常温下都是固体。单质在常温下是固体的非金属元素，其名称用字都有石字旁。
碳元素的单质，过去的教科书上只说有石墨、金刚石和无定形碳。
石墨是一种矿产，很软，具有光泽，呈黑色。在石墨中掺入粘土可以制成铅笔的笔芯。由于刚发现石墨时人们误认为是铅，制成的笔就误称铅笔。以后约定俗成，也就不改了，就称铅笔。其实铅笔里并没有铅。掺入粘土的比例不同，铅笔里软硬程度或颜色深浅程度也不同。掺入粘土少的，铅笔划痕比较黑，英语black（黑），就用B表示。掺入粘土多的，写出来颜色浅而笔芯硬，英语hard（硬），用H表示。6B最软最黑，HB适中，6H最硬最浅。
金刚石是无色透明的晶体，在一般物体中硬度最大。打磨后作为昂贵的饰物。
所谓无定形碳就是木炭、焦炭、烟炱一类的炭。
1985年，人们发现了由60个碳原子组成的分子，C60。以后，人们发现一系列类似于C60的分子，称为富勒烯。本世纪初，人们又制备得石墨烯材料。这样，在最近的40年里，人们就得到了许多种新型的碳的单质。
为什么碳原子能够组成这些多形状和性质都大不相同的单质呢？
这是与碳元素的原子结构有关的。
碳元素是第六号元素。碳原子的原子核里有6个质子，核外有6个电子围绕原子核高速运转。6个电子分内外两层，2个电子在内层，不参与与其他原子的结合，4个电子在外层，可以与其他原子相互作用形成共价键从而连接起来。
根据传统的价键理论，两个原子可以各出一个电子，形成一个单共价键，简称单键。也可以两个原子各出两个电子，形成一个双键。有时候还可以形成叁键。有的时候还可以有多个原子，大家共享多个电子，形成所谓共轭键。
一个碳原子外层四个电子，可以与四个其他原子分别共形成四个单键。
在原子之间通过化学键形成分子时，总是要求使得分子的能量更低一点，这样的分子可以更加稳定。就像我们在地下放置一个球，这个球会滚到地势更低的地方一样，这个球滚到一个坑低，就稳定了。
一个碳原子形成四个单键，这四个单键相互分得最开，能量就更低。相互分得最开的方式，就是如下图所示的那样
一个原子在中间，其余四个原子位于一个正四面体的四个顶点。
如果位于中心的原子是碳原子，与这个碳原子相连接的四个原子是氢原子，这个分子就是甲烷。我们现在家里燃烧的天然气，主要成分就是甲烷。
如果一个碳原子与四个其他碳原子连接，而每一个碳原子又都与其他碳原子相连接，这样许许多多个碳原子都连起来。如下图那样（图中只画出很少几个，实际上可能会有许多亿亿个），这样的物质就是金刚石。
在金刚石中，临近的两个碳原子间距为0.154纳米即154皮米（1米是10亿纳米，1纳米是1000皮米），相邻的三个原子之间的夹角是109°28′。
由于所有的碳原子都与其他四个原子组成一个不容易变形的四面体，这就使得金刚石非常坚硬。
一个碳原子可以与其他三个碳原子形成有四个电子的共轭键。如果每一个碳原子都是如此，许许多多碳原子就可以形成一个薄片，每六个碳原子形成一个正六边形。许许多多六边形组成一个大的平面。如下图所示，图中画出了上下共三层这样的薄片。
一个薄片就像一个巨大的分子。而薄片之间也有相当大的相互作用，这样的许多层组成了石墨的晶体。在石墨中，同一层中相邻碳原子的间距是142皮米。每两层之间距离是335皮米。由于两层之间距离大，相互作用就相对小了，所以层间就容易滑动。这就使得石墨很软，也容易被留在别的物体上从而形成黑色的划痕。
碳-碳之间的键，主要就是以上两种。所谓无定形碳，其微观结构，也就是这两种键，不过比较杂乱地排列罢了。其所以杂乱排列，主要原因是由于碳原子在结晶时处在高温状态，迅速结合的缘故。
例如，人们燃烧树木，火焰中含有碳原子，迅速冷却成黑烟，收集起来，就是烟炱，也就是炭黑，是一种无定形碳。古人收集炭黑，加入胶水，晾干后就是墨。炭黑现在又写作碳黑，约定俗成，两种写法都可以。
C60是由60个碳原子组成的球状分子。
C60分子中相邻的碳原子构成了20个正六边形和12个正五边形。每一个五边形的周围是5个六边形，每一个六边形的周围是3个五边形和3个六边形。分子像一个足球的形状，中间是空的，所以又称笼状分子。
自从C60分子被发现以后，人们又发现了一系列类似的碳单质。
这些分子有的呈笼状，有的呈圆柱形；有的笼中有笼，有的管中有管。这些分子中碳原子的成键都有类似石墨那样的共轭键结构，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，所以人们称之为富勒烯（Fullerene）。下图是一种圆柱状的富勒烯。
本世纪初，人们又制备成功单层的石墨，被称为石墨烯。
石墨烯和富勒烯具有特殊的光学性质、电导性及化学性质。它们的尺寸一般又都在纳米数量级，所以往往称纳米碳材料。
据说，纳米碳材料已应用于储能器件、传感器、复合材料及生物医学等领域，如航空航天中的高强度纤维、抗菌材料和光催化制氢技术。
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