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前言：神奇的碳元素

碳（carbon）是自然界分布非常广泛的一种元素，它以各种形式在自然界中普遍存在着：在空气中，是二氧化碳；在水中，是碳酸；在石灰岩里，是碳酸盐；在生命中，它是氨基酸、是DNA，是糖、淀粉、纤维素……碳元素作为地球宇宙微粒的主要构成元素之一，在地球生命的演化过程中发挥了极其重要的作用。在地球上，碳是一切生命的基础，地球上已知的生物大多数为碳基生物，即以碳元素为有机物质基础的生物。科学家认为，氨基酸和核苷酸是生命的基本单元，而氨基酸和核苷酸又都是以碳链为骨架构造而成的。伴随着碳链的延长，氨基酸和核苷酸则进一步演变成为了蛋白质和核酸，这是原始生命诞生的基础，也是人类诞生必然经历的过程。

碳元素

为什么碳元素会是如此的神奇呢？碳元素是自然界中存在形式最为复杂的一种元素，其特有的共价键结合形式成就了种类繁多、功能奇特的有机物。碳元素位于周期表第二周期IVA族，基态原子的外层电子是2s22p2，由于失去外层四个电子或接受四个电子很难实现，因此碳在形成有机物时，是以四个共价键的形式和其他原子成键。碳原子具有很强的成键能力，不仅能以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和三键。碳原子之间不仅能形成直链，还能形成支链和环链，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。从某种意义上说，有机化学就是碳的化学，它为人类创造了一个绚丽多彩的世界，极大地方便了人类的生产生活。

碳原子成键

碳家族成员及其庞大。古人书画中的松烟、油墨；冬日取暖的煤炭、木炭；清除异味、净化空气的活性炭……这些物质中碳原子的排列是无序的，称为“无定形碳”。除了文章开头所提到的种类繁多的含碳化合物，科学家还发现，碳元素存在着众多同素异形体，如人们熟知的金刚石和石墨，以C60为代表的富勒烯和碳纳米管，以及最新发现的石墨烯等等，它们都是碳的单质，碳原子的排列规则有序。令人惊奇的是，这些碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界度的超导体等，有的坚如磐石，有的软如泥块，还有的美丽无比的金刚石。

金刚石结构

金刚石（diamond）晶莹美丽，光彩夺目，是目前地球上已经发现的天然存在最坚硬的物质。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，构成正四面体基本结构单元，其中4个碳原子位于正四面体的顶点，1个碳原子位于正四面体的中心，这种结构十分牢固。这样的正四面体在空间无限伸展就形成了金刚石的空间立体网状结构。结构决定性质。金刚石中碳原子所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电，性质稳定。性质决定用途。金刚石经过琢磨后可能闪烁出耀眼的光芒，因此可以用来制作价格昂贵的钻石装饰品。同时，金刚石还可用来制作钻头、钻凿岩石、裁割玻璃以及切割大理石等。

钻石

2、石墨　

石墨（graphite）是一种深灰色的具有金属光泽而不透明的细磷片状固体，是目前已知的自然界中最软的矿石。

石墨矿石

在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三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。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子形成大键，这些离域电子可以在整个碳原子平面层中活动，所以石墨具有良好的导电导热性质。

石墨结构

石墨的层与层之间是以分子间作用力结合的，这种作用力非常的弱，易发生断裂，从而表现出较软的性质，如具有滑腻感、熔点较高、容易导电等优良的性能，常可用干电池的电极或高温作业下的润滑剂。经过多年的探索，用高压釜施加高温高压并加入金属镍等金属催化剂，石墨可转化为金刚石。此外也可借爆炸产生的高温高压合成，但后者得到的金刚石颗粒细小，只能用作磨料。人造金刚石虽产量高，但廉价而大量地合成宝石级的金刚石仍是人类未攻克的难题。

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