碳的高貴與世俗

麥　笛

硬度第一的金剛石，因其罕見而價格昂貴。如經(jīng)工匠琢磨成鉆石，更是世間至寶。5000年前人類就從自然界獲取了金剛石，卻一直不知道它由何種元素構(gòu)成。直到1704年，英國科學(xué)家牛頓證明了金剛石具有可燃性，以后又經(jīng)法國科學(xué)家拉瓦錫（1792年）、英國科學(xué)家騰南脫（1797年），用實驗證明了金剛石和石墨是碳的同素異形體，這才弄清楚金剛石是由純凈的碳元素形成的一種單質(zhì)。

1799年，法國化學(xué)家摩爾沃把一顆金剛石轉(zhuǎn)化成了石墨。這激發(fā)了人們的逆向思維，能不能把石墨轉(zhuǎn)化成金剛石呢？如果能夠?qū)崿F(xiàn)，則無異于“點石成金”。此后的100多年里，科學(xué)家們進行了很多有益的探索，最終，法國科學(xué)家莫瓦桑利用自己發(fā)明的高溫電爐取得了一定成效。他先試驗制取氟碳化合物，再除去氟制取金剛石，沒有成功。后來他設(shè)想利用他的高溫電爐，把鐵化成鐵水，再把碳投入熔融的鐵水中，然后把滲有碳的熔融鐵倒人冷水中，借助鐵的急劇冷卻收縮時所產(chǎn)生的壓力，迫使內(nèi)中的碳原子能有序地排列成正四面體的大晶體。最后用稀酸溶去鐵，就可拿到金剛石晶體。

這個設(shè)想在當(dāng)時看來，既科學(xué)又美妙，促使莫瓦桑和他的助手一次又一次地按這個構(gòu)想方案做試驗。1893年2月6日，他終于看到了他夢寐以求的希望之星。當(dāng)他和助手用酸溶去鐵后，在石墨殘留物中，竟有顆0.7mm的晶體閃閃發(fā)光！經(jīng)檢測這顆晶體真的是金剛石。現(xiàn)在，世界各國紛紛改進工藝，希望能生產(chǎn)出更多的人造金剛石。

不論是金剛石還是石墨，都是碳。碳是一種很常見的元素，它有三種同位素，即穩(wěn)定的同位素12C、13C和放射性同位素14C，其中最常見的是12C。14C在考古學(xué)上有重要的用途，由于它是放射性元素，不斷地放出β射線，最終變?yōu)?4N，所以檢測物品中14C的含量再根據(jù)14C的半衰期（大約是5730年）就可以推算出物品所處的大致年代。

碳元素形成的單質(zhì)主要有金剛石、石墨以及俗稱足球烯的C60，常見的木炭、活性炭也是一些含有雜質(zhì)的碳單質(zhì)。金剛石主要用作裝飾品，因其硬度最高也可用作鉆頭、切割用具等；石墨與粘土用于制造鉛筆，石墨本身結(jié)構(gòu)特殊，熔點很高，有導(dǎo)電性，故廣泛用作耐火材料和特殊行業(yè)的導(dǎo)電材料。如今，科學(xué)家又制得了C70，當(dāng)置于一個強磁場中時，C70單晶體的表面會聚集相當(dāng)數(shù)目的自由電子，當(dāng)溫度超過1.7K時，這種晶體顯示出超導(dǎo)性。

碳與硅形成的化合物碳化硅也具有很高的硬度，中學(xué)化學(xué)上提到，根據(jù)形成的共價鍵的牢固程度，金剛石、碳化硅、硅晶體的硬度、熔沸點等依次降低。事實的確如此。碳化硅俗名金剛砂，莫氏硬度約為9.2，僅次于金剛石，而且導(dǎo)熱率很高，熱膨脹率小，在高溫下（1000℃左右）仍然保持固有的硬度和強度，因此可以應(yīng)用做各特種行業(yè)上磨料、耐火材料等。

含碳化合物多是有機物，由于碳原子最外層有四個電子，所以碳可以形成多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鏈狀或者環(huán)狀化合物。甲烷是結(jié)構(gòu)最簡單的有機物，也是一種清潔的燃料氣體，沼氣和天然氣的主要成分就是甲烷。

我們?nèi)粘Ｊ秤玫氖澄铮瑹o論是糖類、脂肪、還是蛋白質(zhì)，其實都是以碳為骨架形成的一系列有機物。科學(xué)家們很早就設(shè)想，可不可以通過某些途徑人工合成食物呢？

事實上，維生素、甜味劑等很多物質(zhì)，已經(jīng)開始了人工合成。1990年代初期，法國的科技人員公布了用石油為原料制出了一系列與天然食物所含成分相似的物質(zhì)的消息。令人始料不及的是，由于缺乏細節(jié)上的逼真，這些“食物”吃起來味同嚼蠟，除了理論上的營養(yǎng)價值之外，與想象中色香味俱全的大餐相去甚遠。

有人指出，食物合成技術(shù)跟克隆技術(shù)一樣，從某種意義上，都是違背倫理學(xué)的，即使有一天，人類真的能夠以化工原料制出香噴噴的法式面包、誘人的巴西烤肉甚至琳瑯滿目的“滿漢全席”，食用后的結(jié)果同樣難以預(yù)料。有機物復(fù)雜機構(gòu)中一點細微的變化，都可能導(dǎo)致性質(zhì)的巨大改變，更何況，以人體脆弱的免疫系統(tǒng)而言，到時是否會產(chǎn)生更加復(fù)雜的“食物病”就更不好說了。因此，讓碳等相關(guān)元素在生活中發(fā)揮更大主導(dǎo)作用的設(shè)想，顯然要經(jīng)受來自實踐和時間更多更長的檢驗。

編輯/梁宇清