奇妙的碳物质

奇妙的碳物质深度剖析我们已经知道，透明的金刚石、灰色的石墨和足球状的C60都是由碳元素组成的单质，它们都有哪些性质呢？它们的性质相同吗？今天让我们走进碳单质的家族。

金刚石事实上，它是天然存在的最硬的物质。

石墨石墨很软，有滑腻感。

此外，石墨还具有优良的导电性能。

木炭生活中我们常常用到的木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，它具有疏松多孔的结构，因此具有吸附能力。

奇妙的碳中高考例题拓展提高石墨天然的石墨矿床在世界各地都有发现。

主要的产地是韩国、奥地利、朝鲜和俄罗斯。

石墨的柔软性几乎与金刚石的硬性同样著称。

它很容易被粉碎，并有滑腻的感觉。

石墨晶体的横断面呈六角（六边）形，密度是2.26克/厘米3。

石墨虽然是一种非金属，但它是电的相当好的导体。

石墨的同一层中碳原子的键合情况：在同一层中，每个碳原子仅与那层中的其它三个碳原子成键。

这些键由碳原子之间的共价单键和双键组成。

当用这样的成键形式表示时，会出现三种不同的等效的模型。

在这三种的每一种中，某些是碳－碳单键，而另一些则是双键。

但是，并没有任何实验证据证明在同一石墨层中有这样截然不同的两种键型。

相反，证据表明，所有这些键都是等同的。

石墨的各层具有共振结构，其中碳－碳键介于单键和双键之间。

石墨的每一层都是强烈键合的共价网状结构。

正同金刚石的情况一样，这种结构使石墨具有很高的熔点，约3600℃。

由于同层中碳原子之间的强共价键，使其很难沿层的方向拉开。

因此，所含的碳原子以石墨形式存在的碳纤维的强度是很高的。

在石墨中，各碳原子层之间的距离太大，难于生成共价键，它们是通过弱色散力结合在一起的。

这种力是由各层中电子的运动所产生的，各层间的这种弱引力说明了石墨的柔软性，而它的滑腻感则是由于一层在另一层上滑动的结果。

平均说来，石墨中的层间距离比它们在金刚石中的距离要长一些，因此石墨具有较低的密度。

每个碳原子层中的流动电子使石墨成为电的相当好的导体。

同金刚石一样，石墨不溶于任何的普通溶剂中。

同样，当在氧中燃烧时，它生成二氧化碳。

天然石墨的最重要的用途是涂在浇铸金属用的铸模上。

石墨还可以增加钢中的含碳量，制造用于熔炼钢和其它金属的粘土－石墨坩埚。

所有这些用途都利用了石墨具有极高熔点这个性质。

石墨是非常好的润滑剂，有时把石墨与凡士林或马达油混和在一起制成石墨润滑剂，它可以用来代替石油润滑剂润滑在高温下运行的机器部件。

当石墨在纸上划过时，就能留下灰色条纹或痕迹，在制造“铅”笔时，先要把石墨研成粉末并与粘土混和，然后制成棒状，铅笔的硬度取决于制造过程中粘土的相对用量。

人造石墨最重要的用途是制造电弧炼钢炉中的电极。

人造石墨电极也被用于电解食盐水溶液来生产氯和氢氧化钠。

石墨不与酸、碱、有机溶剂或无机溶剂起反应，这个特点使它广泛应用于食品、化工、石油等工业的各种工艺过程的设备中。

石墨还被用于核反应堆中。

如果把某些人造纤维与塑性树脂混和并在压力下加热，它们就能成为碳纤维。

这些纤维中的碳是以石墨的形式存在的。

碳纤维的密度比钢低，但是强度和硬度都比钢好。

它们被用于收音机的舱板和折翼，以及用在气象卫星和通讯卫星中。

在体育用品中，碳纤维用于制造高尔夫球的棍棒、网球拍、钓鱼竿和自行车的三角架。

金刚石世界上最著名的金刚石产地在南部非洲。

这个地区的金刚石常常存在死火山的喷井中。

人们认为它们是在极高的温度和压强下慢慢地形成的。

开采出来的金刚石并没有宝石的外形和光彩，通过切割和磨光等工艺才给它们以光耀的外形。

世界最大钻石——库里南一号。

1905年，南非的总理矿区，发现了一块重3106克拉（计算钻石大小重量的单位，1 克拉＝0.2克）的钻石原石，这一发现震惊世界，于是把此钻石以矿主之名——托马斯·库里南爵士命名。

当时南非尚为英国殖民地，人们决定将此钻石运回英国，朝贡英王爱德华七世。

为安全起见，保了75万英镑的保险。

但实际保的是一只空盒，而真正的钻石却用另外一只纸盒，只用普通挂号就寄回英国了。

这颗3106克拉的钻石运回英国后，皇家请了当时最负盛名的荷兰切割师安斯切尔兄弟，经过多月的揣摩研究，终于决定如何切割这颗钻石。

定夺之后，将此钻石运到荷兰去切，英王派军舰护航，仍用了“金蝉脱壳”之计，军舰所护的只是空柜，而真正的钻石，却被安斯切尔放在裤袋内，坐普通火车和渡轮，安全到了荷兰工厂。

当安斯切尔凝神屏住呼吸，正要一锤敲下去把钻石切开时，因紧张过度，当场晕倒，最后经多次努力终于成功，两兄弟把它切成9颗大钻石和96颗较小的钻石。

这9颗大钻石中，最大的一颗被切成梨形，重530克拉，镶在英王权杖上，取名为“库里南一号”，并被称为“非洲之星”。

人造金刚石与天然金刚石在化学上是完全等同的，但它们是在实验室中生产出来的。

它们是在对石墨以及作为溶剂和催化剂的金属施以极高的压强（5500大气压）和高温（2000℃）约一天的时间后制得的。

金刚石是最硬的物料。

它是碳的最密集的形式，密度大约是水的3.5倍。

它的硬度（抗磨性）和密度都可以用它的结构来解释。

注意，每个碳原子都与其它的四个最靠近的近邻形成四面体的取向，这种类型的结构能使晶体在三维空间中有很高的强度。

这种刚性结构给金刚石以硬度。

由于原子之间的小距离而造成的紧密性给金刚石以极高的密度。

金刚石的共价网状结构是它具有极高熔点的原因。

由于所有的价电子都被用来形成了共价键，因而没有一个可以自由移动。

这解释了金刚石为什么是电的非导体。

由于它极高的硬度，金刚石被用于切割、钻孔和研磨。

金刚石常被用来作为经久耐用的唱机针头。

金刚石是最好的热导体。

完整的金刚石单晶的导热性是银和铜的导热性的5倍（银和铜是最好的金属导体）。

在金刚石中，热是通过振动的能量从一个碳原子到第二个碳原子的传递进行传导的。

在完整的金刚石单晶中，进行这个过程的效率很高。

碳原子的质量很小，把原子束缚在一起的力很强，因此能够容易地把振动的运动从一个原子传给另一个原子。

它的不导电性结合着它的优良的导热性使金刚石在半导体装置方面很有用。

金刚石在普通溶剂中是不溶解的。

在1722年，法国化学家拉瓦锡在纯氧中燃烧了一块透明的金刚石，得到了产物二氧化碳。

这个实验向他证明金刚石中含有碳。

英国化学家史密森·坦纳物特在1797年重复了这个实验，他称了金刚石和生成的二氧化碳的质量，从二氧化碳的质量表明，金刚石是纯净的碳。

活性炭与防毒面具防毒面具作为一种防御性的保护器具问世几十年来，不仅广泛应用于军事上，而且也是我们科学实验在某险恶环境中从事工作的一个不可缺少的工具。

说起它的诞生，还有一段有趣的故事呢！。

早在第一次世界大战的1915年，欧洲各参战国军事力量相差无几，使战争表面上处于相持状态。

德帝国主义为了在军事上取得进展，首先在战场上施放了一种有毒气体——氯气，使英法两国军队吃亏不小。

为了惩罚德军的这种行径，英法两国就以同样的方法“回敬”了德军，一时间整个欧洲战场毒气滚滚，一场化学战就这样开始了。

怎样使自己的士兵不被毒气伤害而更有效地消灭敌人呢？这一严重而又急迫的问题摆在各国军队的指挥者面前。

能否找到一种物质来同时对付多种毒气以减轻士兵的负担而赢得战争的胜利呢？各国化学家都在致力研究。

俄国化学家谢宁斯基首先想到了制糖工业中用来吸附杂质和色素的木炭。

他冒着生命危险进行了实验。

他用装有木炭的布包堵住自己的呼吸道，钻进充满氯气和光气实验室，他的两个助手屏住呼吸守候在门边，只要听见门铃响，说明他们的导师已坚持不住了，应赶快抢救出来，然而铃却迟迟未响。

“该不是他已经出事了吧？”一个助手已沉不住气了。

“不会的，若是那样，他早该拉铃了。

”另一个与教授共事多年的助手不相信有那回事。

可是，铃，还是一动不动！正在两位助手都感到害怕而欲打开房门时，门开了，谢宁斯基举着两只被木炭染黑的手高兴地跑出来，“成功了，成功了……”兴奋地与两位助手拥抱成一团。

用活性炭作吸附剂的轻型防毒面具就这样诞生了，它的样子虽说不中看，可是每当敌人施放毒气时，俄国士兵就立即戴上它在毒气中打退敌人的一次次冲锋。

今天的防毒面具和它问世的时候不大一样，它主要由橡皮面罩、呼吸管、滤毒罐三部分组成。

面罩上有眼镜，橡皮管内有两个通道，一根吸气管受入气活瓣的控制，只能吸气不能呼气，另一根呼气管刚好相反，受出气活瓣控制，只供出气而不能吸气。

滤毒罐内有活性炭层、化学吸收层及过滤层。

活性炭主要用于吸附毒气，化学层用来中和毒气，过滤层用多层纱布做成，用于清除空气中的尘埃。

活性炭是碳的另一种形式，它具有多孔性，有很大的内表面，其表面积可以高达2000米2/克。

这个很大的表面积使活性炭可用来吸附液体的或气体的实物。

活性炭可以由各种各样含碳物料制得，这些物料先要进行干馏。

用来吸附气体的活性炭必须具有微孔结构，椰子和其它坚果是制取这类活性炭的最好原料。

活性炭气体吸附剂被用在防毒面具中；它也用在工业生产过程中以回收挥发性溶剂的蒸气和除去气体中的杂质；还可以用来除去办公室、餐馆、剧场等大型空气调节系统中环流空气中的气味；也常用在人们的日常生活中。

用于吸附液相中的杂质的活性炭，可用于食品和化学产品加工过程中，被用来精制蔗糖、甜菜糖和玉米糖浆；它也用于城市生活用水和工业用水的水处理中，以吸附会给水带来讨厌气味和味道的的有害物料和杂质。