6 C 碳 百搭

碳是元素周期表上的瑞士军刀，是元素中的达·芬奇，它擅长扮演各种角色，也能够应对各种情况。在化学课上，至少有三分之一的内容是关于这个元素及其化合物的。试图在一个简短的章节中涵盖所有碳的特征是绝对不可能的。但仅仅写下一两个碳元素的知识，可能会显得草率，但无论如何，让我来试一试。

碳单质有几种不同的形态。碳原子本身没有发生改变，改变的是它们之间的位置关系。碳原子最常见的两种排列形式是石墨和钻石。虽然它们由完全相同的元素组成，但它们的性质几乎是完全相反的。石墨是克拉克·肯特[1]，而钻石就是超人。

钻石的特性是众所周知的。有人唱过关于它的歌，它在电影里担任过主演，在小说中扮演过重要角色。但我们不应该总是相信雪莉夫人[2]或玛丽莲·梦露[3]的话。钻石并不“恒久远”，这些宝石可能会烟消云散。

每颗钻石都是坚硬的、不可压缩的碳单晶。钻石中的每个碳原子都与其他四个碳原子成键，形成一个巨大的三维晶格。这种连接原子的方式紧密而牢固，赋予钻石力与美。但是，与乌漆墨黑的石墨相比，象征着永恒和稳定的钻石只是处于亚稳态。

石墨中的每个碳原子只与另外三个碳原子结合，形成层叠的六边形蜂巢结构。每个碳原子形成的化学键更少，但它们比钻石里的化学键更强，这意味着石墨的内在结构更加稳定。这些紧密结合的原子层彼此堆叠在一起，层与层之间只有微弱的分子间作用力，就像一叠纸。这种排列给石墨带来了别具一格、卓越且有用的特性。

公元1565年前后，人们在坎布里亚郡[4]的博罗代尔发现了高纯度石墨。石墨在古代叫作Plumbago，来自拉丁语plumbum，意思是“铅”，因为它看起来很像铅矿。当时人们用这种石墨块给羊做标记，但很快便意识到它太珍贵了，不能浪费在牲畜身上。于是，他们开始了石墨的开采和贸易。

石墨层与层之间存在很弱的分子间作用力，轻微的摩擦就很容易让它滑动。这就是石墨在博罗代尔的羊身上做记号的原理——轻轻地将一层石墨擦在羊毛上。这就是为什么它被命名为石墨，因为石墨的英文名Graphite在希腊语中是“书写石”的意思[5]。

石墨的平滑层状结构意味着它很容易被工具塑形，而且这让它很耐热。石墨内部的强力化学键可以阻止它熔化，即使把熔化的铅倒在上面也不行。因此，英国人开始用石墨来充当炮弹的脱模剂，制造出的弹药更光滑，更圆，可以飞得更远，也更精准，这让英国人在战场上占据了显著的军事优势。

博罗代尔是英国石墨的唯一来源，英国人非常重视。人们设立了岗哨，并制定了法律来保护埋藏在坎布里亚山区的贵重矿石。虽然石墨的价值得到了充分的认可，但这种材料的身份却变得更加神秘了。尽管它外表上看起来像铅矿，但显然不是。

科学家也曾对钻石的构成感到困惑，但它们太坚硬了，所以很难把它们拆分开来进行研究。当然，在当时也没有人认为柔软、漆黑的石墨与坚硬、透明的钻石有相同的成分。直到安托万·拉瓦锡出场——他只用了一个巨大的透镜。

1772年，拉瓦锡用透镜将太阳光聚焦到一颗钻石上，钻石竟燃烧殆尽，和石墨在高温下的燃烧一模一样。原来钻石和石墨是同一种物质，克拉克·肯特化身超人，在接下来的25年中，通过更多的实验，史密森·坦南特[6]终于一锤定音，让科学界相信石墨和钻石是同一个东西，只是披上了不同的伪装。

[1]　在《超人》系列影片中，克拉克·肯特是超人展现在大众面前的普通人形象。

[2]　雪莉·贝希，英国历史上最有名的女歌手之一，曾出演过电影《永恒的钻石》。

[3]　美国著名女艺人，曾演唱过流行歌曲《钻石是女孩最好的朋友》。

[4]　位于英格兰西北部。

[5]　石墨的英语名称Graphite来源于希腊文graphein，意思是“用来写”。

[6]　英国化学家，铱和锇的发现者。