碳单质
取自 食品百科全书
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、单质状态的碳有三种，它们是金刚石、石墨和C60（又称富勒烯或足球烯）。它们是碳的三种同素异形体。而作为混合物的碳单质无定形碳，又由4个成员组成：焦炭，炭黑，活性炭，木炭。
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磨削工具，它是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。
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(碳60简称为C60)分子C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，是一种很稳定的分子，主要应用于材料科学，超导体等方面。金刚石、石墨、C60分子的结构示意图.世人瞩目的足球烯－C60.C60分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，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。
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。
