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《研炭翁说碳》(四):碳是个什么东西?

时间:2020-06-30   作者:王茂章/文;郭晓倩/编辑   

为什么有碳原子、碳分子,又有碳元素,它们之间有什么不同?为什么性质不同、形貌廻异的石墨和金刚石都是碳?为什么碳原子中有碳12又有碳14,两者有何区别?碳到底是个什么东西?

其实,有初中水平的人就应该能回答,但可能有些人已忘记了,在这里让我们再综合起来回忆一下。

随着数千年文明的发展,人类不断从宏观和微观两个方面拓宽知识,对物质世界的认识已经可以跨越42个数量级,即在宏观上目前观测所及的宇宙空间范围已可达到1026-1027(1后面26-27个零)米,而微观上已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小仅为10-16(小数点后面16个零)米。人们现在已经知道整个宇宙是由不同物质组成,物质的种类有几千万种以上,但组合搭配形成这些物质的元素却并不多,已知自然界存在的仅九十多种,加上人造的总共也只有118种,碳就是这些元素当中的一个,但又是极为特殊的一个


   原子是由原子核和不同数量、围绕其旋转并带有一个单位负电荷的电子所组成。电子是质量很小的微粒,在原子核外作高速运动,原子核则是由带正电荷的质子和不带电荷但有一定质量的中子所组成。这些都是我们从初中课本中已经获得的知识。由于不同原子中有着不同数量的质子、中子和电子,因此它们的性质便有了很大的变化。元素则是具有相同原子序数或相同核电荷数(即质子数)的同一类原子,碳元素就是所有碳原子的总称,而碳通常是碳元素的简称。


   化学是研究物质及其变化和应用的一门科学。化学中用不同的英文字母来表示不同的元素,用一个字母时为大写,用两个字母时为一个大写一个小写,它们被称之为化学符号(或元素符号)。例如用“H”表示氢,用“O”表示氧,用“Fe”表示铁等等,碳的化学符号为“C”。原子是化学变化中的最小微粒,从宏观上看物质是由不同元素或化合物所组成,从微观上看则是由分子、原子或离子所组成。后来人们进一步发现各种元素的性质会随着其原子序数(核电荷数)的递增周期性地变化,这是因为元素原子核外电子排布周期性变化而导致的结果。这样,便可将一百多种元素排列归类形成一个化学元素周期表。

图1.碳原子中原子核及围绕它旋转的6个电子的示意图

图2.碳原子中电子云(蓝色部分)的几种组合方式


   碳元素的原子序数为6,即碳原子的原子核外有6个电子围绕它旋转(图1)。去年乌克兰科学家成功捕捉到碳原子内部的图像,显示了碳原子中电子云(蓝色部分)的几种组合方式(图2)。碳元素位于周期表中第四主族(IVA)族,在C、Si、Ge、Sn、Pb元素组成的第IVA族中,在这一族中它的原子序数最低,核电荷数最少,即原子核外的外层电子数最少。在后面我们将谈到,碳元素的所有神奇特性都是由于它们处在这一不上不下,不左不右的特殊位置所致


   碳原子有极强的化学成键能力,周期表的所有元素中只有碳是能够形成更多价键的原子,也只有碳才是能形成结构数更多的元素。由同种元素组成的纯净物叫做单质,同一种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性(或同素异形)体。随碳原子排列的不同,其组成结构也不一样。仅仅由碳原子却可以组成结构和性质完全不同的深灰色石墨和光彩夺目的金刚石等原子晶体,还可由几十或数百上千个碳原子形成碳60(C60)之类的富勒烯、纳米碳管或石墨烯分子。碳60还能进一步形成分子晶体。只有碳元素才能形成无穷无尽的同素异性体,这又是其独特之处。这些我们在以后都会陆续谈到。尽管各种同素异性体的物理性质极其不同,由于其核电荷数和核外电子层结构相同,所以它们的化学性质全都一样,例如在空气中它们都能像煤炭一样,充分燃烧生成二氧化碳,同时放出大量的热来。


    由于电子、质子和中子都有一定的质量,不同原子的核电荷数不同各种原子的质量也就会不一样。原子的绝对重量极小,难以直接称量,故最早用原子中最轻的氢原子重量为1来测定其它元素的相对原子量,后来又将自然界存在的氧原子的平均原子量等于16.0000作为基准。考虑到碳元素在自然界的丰富程度以及它又有很强与其它元素结合的能力,所以国际上从1961年起为了避免混乱,统一将12C(碳12,其原子质量数,即质子数与中子数之和为12的碳原子)作为基准定为统一原子量的标度,其相对原子量被精确地定为12.0000,所有其它的原子和分子均参照它来确定各自的质量,从而使物理化学数据更为精确。


   人们发现自然界具有相同质子数的原子,有时其中的中子数并不完全相同,于是将有相同质子数但中子数不同的同一元素的几种原子互称为同位素。已发现的天然同位素有300多种。人造同位素更是达1200多种,已发现碳原子的同位素有13种,即从68C(左上8表示原子质量数,左下6表示质子数)至620C,其中612C(碳12)和613C为稳定同位素,各自的平均相对丰度分别为98.9%和1.108%。其余同位素均为放射线同位素,其中除614C(碳14)的半衰期为 5730年,人们可感到其存在外,其余的同位素由于半衰期很短,如616C仅为0.74秒,617C仅有20毫秒,即0.02秒,所以无太大意义。大气中的碳12和碳14按一定的比例保持不变,即每克碳中仅有百万分之13.56的碳14。利用碳14的半衰期,人们可以估计含碳物质,如树木、骨头和含生物分子的化石的年岁,即所谓碳14监年法,也称为碳年代测定法(carbon dating)。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有与天然同位素丰度一致的原子重量所占百分比计算的平均值,所以碳元素的原子量不是12.000而是12.001。


   宇宙万物是由各种基本粒子及近百种元素和其形成的化合物所组成,在这些元素中最为特殊、也是最为神奇的就是碳元素。碳原子能形成无穷无尽的单质和化合物。没有任何元素能像碳元素那样,作为单一的元素却可形成许许多多结构和性质完全不同的物质。各种类型碳单质所具有的性质几乎能包括地球上所有物质的性质,有的甚至是完全对立的性质。例如:最硬(金刚石)-最软(石墨);绝缘体(金刚石)-半导体(石墨)-良导体(石墨烯);绝热体(石墨层间)-良导热体(金刚石);全吸光(石墨)-全透光(金刚石)等等。碳在宇宙进化系统中起重要作用,又是太阳等恒星发光不可或缺的元素,也是地球上各种有机生命的关键组成元素,碳及其化合物和人类息息相关,几乎深入到我们生活的每一个角落,它无处不在,人们无时无刻也不能与之分开,新型碳质材料的研究和开发正日新月异,也正在改变和提升我们的生活质量。碳元素如此重要,如此神奇,那么它是从哪里来的呢?请看研炭翁说碳(五):碳从哪里来?


本文来自王茂章科学网博客。
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