碳家族

                                                                                                                                                                           ——金刚石、石墨、C₆₀

碳是人类接触的最早，也是人类利用的最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触。人类在学会怎样引火以后，碳就成为人类永久的“伙伴”了，所以碳是古代人们就已经知道的元素。

碳在自然界中存在三种同素异形体——金刚石、石墨、C₆₀。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的试验后，确定这两种物质燃烧都产生的CO₂，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。C₆₀是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家哈里可劳特等人发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳原子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。

原理探秘

纯净的、单质状态的碳有三种，它们是金刚石、石墨、C₆₀。它们是碳的三种同素异形体。

金刚石光泽灿烂，晶莹剔透，是自然界中最坚硬的物质。其名称来源于希腊文“Adamas”，意为无法征服的。

金刚石是典型的原子晶体，在金刚石晶体内部，每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构，正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。换句话说，金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。

金刚石晶体结构

常温下，金刚石的化学性质稳定，但在空气中加热到1100K左右时燃烧生成CO2。

金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头个磨削工具，是重要的现代工业原料。

钻石

石墨乌黑柔亮，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石略低。

在石墨晶体中，碳原子和邻近的3个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。石墨的层与层之间是以分子间作用力结合起来的，因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开，具有润滑性。除此之外，石墨还具有良好的导电导热性，所以石墨被大量用作电极、高温热电偶、坩埚、润滑剂和铅笔芯等。
                                                                              

                                                                         石墨                                                                                        石墨结晶结构

思考

金刚石和石墨的化学成分都是碳C，为什么在某些性质上却有天壤之别？

1996年10月7日，瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予Robert Fcurl Jr(美国)、Harold Wkroto(英国)和Richard ESmalley（美国），以表彰他们发现C60。

1995年9月初，在美国德克萨斯州赖斯大学的Smalley实验室里，kroto等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子，其中有一个比其它峰强度大20~25倍的峰，此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。

C₆₀分子结构

 C₆₀分子是以什么样的结构而稳定存在的呢？层状的石墨和四面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式，当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时，都会存在许多悬键，就会非常活泼，就不会显示如此稳定的质谱信号。这说明C₆₀分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于受到建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发，kroto等认为C₆₀是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成，只有这样C₆₀分子才不存在悬键。

从C₆₀被发现的短短的十多年来，已广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药学各个领域，极大地丰富和提高了科学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。

 视频：金刚石 石墨和C₆₀

探究：你知道还有哪些物质是由碳元素构成的呢？或者主要由碳元素构成的？它们分别有什么用途？