标题：碳单质
简介

碳在地壳中的含量为0.027%，在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等.目前全世界已经发现的化合物种类已达400多万种，其中绝大多数是碳的化合物，不含碳的化合物不超过10万种。在现有的112种元素中，除碳以外的111种元素，它们之间所形成化合物数目，大约仅是碳这一种元素所形成化合物总数的1/40。碳是地球上化合物种类最多的元素。
众所周知，生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长，演变成为蛋白质和核酸；然后演化出原始的单细胞，又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩，直至人类。这三四十亿年的生命交响乐，它的主旋律是碳的化学演变。可以说，没有碳就没有生命。碳是生命世界的栋梁之材。
纯净的、单质状态的碳有金刚石、石墨和C60（又称富勒烯或足球烯），此外，还有C36、C70、C84、C240、C540、碳纳米管等。它们是碳的同素异形体。而作为混合物的碳单质无定形碳，有木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。
金刚石
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。
金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻划法规定，以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度（详细见附表）。例如Cr的硬度为9，Fe为4.5，Pb为1.5，钠为0.4等。在所有单质中，金刚石的熔点最高，达3823K。
金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。
由于金刚石晶体中碳碳键很强，所有价电子都参与了共价键的形成。晶体中没有自由移动电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。
常温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成二氧化碳。
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和制成玻璃刀，它是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。
石墨
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。
C60
C60
C60(碳60简称为C60) 分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，它形似足球，主要应用于材料科学，超导体等方面。它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因此又被称为足球烯。足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱（Kroto,H.W.）和史沫莱（Smalley,R.E.）等人于1985年提出的，他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱，X射线分析等实验证明。此外，还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现。1991年，科学家们发现，C60中掺以少量某些金属后具有超导性，且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料——陶瓷要简单，质地又十分坚硬，所以人们预言C60在超导材料领域具有广阔的应用前景。碳60分子俗称布基球，由60个碳原子构成，它们组成一个笼状结构。这一分子于1985年被发现后因它具有特殊性质，一直是化学家们的热门研究对象。碳－60分子是科学家发现的，它由60个碳原子组成形似足球的分子，因而又被称为“布基球”。在过去的实验中，它表现出与普通形态的碳元素大不相同的物理、化学性质。
C70
C70：碳70，由70个碳原子构成，比C60多10个碳，化学键基本相同。共面的碳原子为五圆环，六圆环 
一个碳和3个碳原子相连，一个以双键相连另外两个是单键，平均两个碳一个双键。 
C70有（70*2+2）=71个不饱和度，共35个双键，所以它应该有36+1=37个环, 
(封闭的多面体化合物不饱和度等于面数减1），设五圆环X个，六圆环Y个，得 
X+Y=37 
（5X+6Y）/3=70 
解得X=12，Y=25 
即12个5环，25个6环。
C76
C76，碳的一种同素异形体。色彩不定。质地柔软、柔韧性好。 
分子式为C76 由76个碳原子构成一个C76分子。 
化学性质稳定，但能在某些情况下在电磁情况下与淀粉溶液反应。 
通过质谱分析、X射线分析后证明，C76的分子结构的确为双叶型多面体，它是由76个碳原子以23个六元环和16个五元环连接而成的具有32个碳碳复合键（C≡ω≡C）的双叶状空心对称分子，所以，C76也被称为书本烯。 
密度及溶解性：C76的密度为6.4g/cm3。 
C76可溶于水，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解性。
C76在自然中可以以单质形式稳定存在，目前已经探明它广泛存在于日本本州岛与北九州的矿脉中。由于其外形像一本书，所以俗称书本烯。书本烯于2008年被日本科学家灵梦托尼发现，并于2009年初制得纯C76。C76的用途：C76由于其密度轻体积小，十分适合生产电子产品。其未来可能用于计算机领域，并广泛进入各位电脑爱好者的家中。另据报道称，C76还被用于某些书本中，这种书本能够有抗菌、耐磨、防止特殊液体污染的特殊功能，目前已有超过千个个人和组织宣布于自己的产品中使用该材料，其中包括著名工艺品厂商樽索推出的新品莲花船鉴定证书、七年龙神（个人）推出的第五款黑尾鸥饲养说明等。C76产品计划于2009年8月中旬投入量产，将在日本首先上市。 
研究表明光学活性的C76和C84对热和光都是稳定的。由于C78, C84都只有一个几何异构体是手性的，所以它们的CD光谱就代表了单一的手性异构体的光谱性质，即C78(D3对称性)和C84(D2对称性)。C78和C84的CD光谱可以表现出比相应的UV光谱更多的电子结构信息，特别是只有手性异构体才会出现CD光谱，并且不受非手性异构体的干扰，因此所得CD光谱有助于更高碳数富勒烯的电子结构分析。
无定形碳
无定形碳指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外，其余主要成分都是单质碳。煤炭是天然存在的无定形碳，其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳，并不是指这些物质存在的形状，而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨一样结构的晶体，只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。
石墨烯
石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
发现
谁也不会想到，铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！ 
法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。 
发现者是两华裔科学家 ，人们熟悉的铅笔是由石墨制成的，而石墨则是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成，石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。自从2004年石墨烯被发现以来，有关的科学研究就从未间断过。然而直到最近，美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑，石墨烯竟是目前世界上已知的强度最高的材料！ 
据悉，这一惊人的科学发现是由曼彻斯特大学大学的Andre Geim 和他的学生Konstantin Novoselov通过实验，而李成古研究“石墨烯”强度的主要工具之一，竟是普通的透明胶带！李成古向记者解释他们的“低科技”研究方法说：“为了了解石墨烯的强度，我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，于是我们想到了透明胶带。”科学家先将胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，然后再将胶带从硅片上撕下来，这时数千小片石墨都粘到了硅片上。 
比钻石还要坚硬 
硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。科学家开始采取高科技手段，将硅片放置在电子显微镜下进行观察，科学家花费数天时间，希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。
一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！
石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。 
石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。美国哥伦比亚大学James Hone等人最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的2.3万英里长（约合37000千米）太空电梯可能成为现实。其厚度只有0.335纳米，把2000片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。单层石墨烯几乎透明，其分子排列紧密，即使原子尺寸最小的氦也不能通过。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。 
石墨烯的另一特性是，其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有，其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED显示器的开发。据了解，韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。 
为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，须先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。 
经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。 
以下实验证实了量子电动力学的预言：事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。 
总结一下特性：基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。