碳为什么能“七十二变”

碳原子具有很强的“化学牵手”键合能力,可以通过三种化学键,即单键、双键和三键,形成许许多多不同的结构。仅仅由碳原子就可以组成结构和性质完全不同的金刚石、石墨、石墨烯、碳60、碳纳米管等碳单质。这种由相同元素组成的不同形态的单质又叫同素异形体。

在金刚石的晶体里,每个碳原子都被相邻的四个碳原子包围,以共价键同这四个碳原子结合成为正四面体结构。而石墨的晶体是层状结构,在每一层内,每一个碳原子都以共价键与其他三个碳原子结合,排列成平面的六角形的层状结构。石墨烯就是单层的石墨,现在已可人工制得,具有极其广泛的用途。

任何一种单质碳都可以在人们创造的条件下,如同孙悟空的“七十二变”那样变来变去。通过加热、高温再结晶等方法可以将木炭转化为石墨;石墨在高温高压下又可以转化为金刚石;在电弧放电作用下,石墨可以形成单个或众多的碳原子,如果让它们重新生长,在不同的条件下可以形成石墨烯、碳60、碳纳米管等碳的同素异形体。

碳60是由60个碳原子形成的封闭笼状分子,就像一个足球一样。科学家还发现了许多由碳元素组成的单质物质,以球状、椭圆状或管状结构存在。这些物质结构奇异,好像一些设计精巧的建筑物,因此被以建筑大师富勒的名字命名,称为富勒烯。其中柱状或管状的分子又叫作碳纳米管或巴基管。