碳——普通而神秘的元素

2021-01-20 19:57:01来源:2021最新十大热门人气排行榜-科奇网作者:本站作者 阅读量:


碳,元素周期表第6号元素,是较早被发现和利用的元素之一。

早在史前,碳元素就已经被人们发现,炭黑和煤就是人类最早使用碳的形式。碳的英文名称Carbon,来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo,也来源于法语中的charbon,意思都是木炭。1772年,化学家拉瓦锡通过定量实验验证出钻石是碳的一种存在形式,因为当钻石和煤的样品分别燃烧时,它们都不会生成水,并且每克钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。1779年,化学家舍勒也利用拉瓦锡的方法验证出了石墨的主要成分也和钻石一样都是碳。1789年,在教科书里正式列出了碳元素。

在长达200多年的研究中,人们已经对碳元素了如指掌:发现碳元素有多达15种同位素,还有形式繁多的同素异形体,碳原子间纷繁复杂的连接方式,以及由这些连接方式形成的有机化合物,甚至由此形成了一门独立分科——有机化学。由于碳元素是所有有机化合物的骨架,于是成为了所有元素中形成化合物种类最多的一种。可见碳元素就像一个精灵,在我们身体、各种动植物微生物、空气、海水和岩石中无处不存在。

随着人们发现类似于足球的笼状结构C60以后,情况出现了变化。人们发现了碳原子更多的排列形式,如碳纳米管、石墨烯等。它们所具有的特殊性能,使人们看到了一片神秘的材料密林,原来常见的碳元素还可以因为特殊的原子排列结构挤入高科技领域。

就拿1985年发现的C60来说,它的发现使人们看到了碳原子呈封闭笼状结构的可能,进而有了C20、C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等笼状结构。C60则是研究的重点,其常温下为紫红色固态分子晶体,有微弱荧光,可用于制备超导体。

北京大学和中国科学院物理研究所合作,成功地合成了K3C60和Rb3C60两种超导体,而且还可以用C60来制作有机铁磁体(一种不含金属的软铁磁性材料),这样就能用廉价的碳作为原料制作磁铁,以代替价格昂贵的金属磁铁了。

由碳原子形成的石墨烯,也是高科技领域非常看好的材料,其价格曾一度高过黄金。实际上,石墨烯本来就存在于自然界,只是没有剥离出单层结构而已。如果把石墨烯一层层叠起来,就是石墨,而石墨广泛用于制作铅笔笔芯。2004年,英国的两位科学家用一种非常简单的方法得到了非常薄的单层石墨薄片,而这种单层薄片就是石墨烯。石墨烯具有非常吸引人的特性,如极高的强度和很好的韧性,可以弯曲,导电、导热、光学性能都非常好,可用于制备传感器、柔性显示器、新能源电池、储氢材料、感光元件等。

2018年,我国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线,在山东菏泽启动。石墨烯从合成、证实存在虽然只有短短十几年时间,但已成为学者们研究的热点,其产业化也还处于初期阶段,很多应用不足以体现出石墨烯多种理想的性能。

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