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碳元素的发现

人类发现炭灰 (soot) 的历史已不可考,先人极早就会利用木炭 (wood charcoal) 生火,北京人距今约五十万年,已有用火的迹象。焦炭 (charcoal) 的历史应该和智人 (homo sapiens) 的文明一样长。更贴切的说,我们是炭火之子,不懂用火的话,我们可能也度不过一万多年前的全球大冰河时期。但是有记载的焦炭製造历史应该是在罗马时代,他们把木材堆成金字塔形,覆上黏土隔绝空气后煅烧,就产生焦炭。 英文的碳字carbon,法文是charbon,都是源自拉丁文的carbonum,还有德文或其他文字也都是源于煤或焦炭的意思。但是煤炭的历史大概也是从罗马人开始,十三世纪的僧侣莱里耳 (Reinier of Liège) 曾记载用「黑土」锻烧金属,到十八世纪欧洲工业革命,瓦特发明蒸汽机后,煤 (coal) 才成为主要的燃料。煤製成的焦炭多用于金属冶鍊,炼钢厂以煤焦作燃料及还原剂,煤燃烧到800度以上的高温,同时产生一氧化碳,可使铁矿 (氧化铁)还原成金属铁。1722年雷欧姆 (René A. F. de Réaumur, 1683-1757) 证明炼钢是铁中渗入了一些物质,后来才知道就是碳元素。

金刚石或称钻石 (diamond) 的发现也脱不开燃烧,人类知道天然钻石的历史起码也有数千年。但是直到1772年,拉瓦节 (Antoine Lavoisier) 证明每克的碳和钻石燃烧产生等量的二氧化碳,而且没有其他的产物,故尔确定昂贵绚丽的钻石就是纯碳 (编者:真是昂贵又聪明的实验)。石墨 (graphite) 源自希腊文 γραφειν,是画或写的意思,有人以为石墨是铅,瑞典的席勒 (Carl Wilhelm Scheele, 1742 -1786) 认为石墨是纯碳,1786年,法国学家伯脱勒 (Claude Louis Berthollet, 1748-1822)、孟许 (Gaspard Monge) 及旺德蒙地 (C. A. Vandermonde) 确定了石墨的化学成分,并且建议碳元素的命名为carbon。1789年,拉瓦节将「碳」纳入其《化学基本原理》(Traite Elementair de Chimie) 的元素表中。

碳的自然同位素 (isotopes) 主要是碳-12 (98.93%) 及碳-13 (1.07%),碳-14有不稳定的原子核,会发生核衰变,放出β射线(即电子) 而转变成氮原子,半生期5730年。碳-14在地球表面的相对含量维持平衡状态。活的生物体中因为新陈代谢,体内碳-14的相对含量与地表相同,生物体死亡后,体内碳-14逐渐递减,测量碳-14相对含量,是推定考古年代最重要的技术,称为碳-14定年法 (radiocarbon dating),利比 (Willard Frank Libby, 1908–1980) 因发现此方法获 1960诺贝尔化学奖。 柯尔 (Robert F. Curl Jr., 1933-)、克罗托 (Sir Harold W. Kroto, 1939-)、史莫利 (Richard E. Smalley, 1943-2005) 因1985年进行以高能雷射照射石墨棒的实验,意外发现碳六十 (C60) 的存在,并预测碳六十有足球形的分子结构,他们共同分享1996年诺贝尔化学奖。1991年,霍夫曼 (Donald Huffman) 和克雷许梅 ( Wolfgang Krätschmer) 以电弧放电法高温加热石墨棒,从炭灰中分离出大量的碳六十,还有相关的碳簇 (carbon clusters) 分子如C70、C84、C120… 等,统称为富乐烯 (fullerenes),从此碳的同素异形体 (allotrope) 就不限于石墨与钻石。

碳六十是二十个六员环与十二个五员环组成的分子,又称巴克球(Buckyball),不仅构形有趣,也展现了奇特的性质,台湾的第一批碳六十是台湾大学化学系的牟中原教授依霍夫曼的方法,于1992年初製成。 1991年日本NEC的饭岛澄男(Sumio Ijima)也用电弧放电製造C60,在炭灰中发现了多层结构的奈米碳管(multi-walled carbon nanotubes,简写成mwnt),随后饭岛与IBM的白颂(D. Bethune)各自独立製造出单层结构的奈米碳管(single-walled carbon nanotubes,简写成swnt)。顾名思义,奈米碳管就是由碳原子构成的中空碳管,就像是石墨层捲成管子,正是理想的奈米单元建材。早在1940年代,电气炉边就曾发现有直径达数奈米至数微米的细碳丝,但数量非常少,当时没有被重视。紧随着奈米碳管的发现,奈米科技时代终能揭开序幕。 碳原子主要是以共用电子的方式与其他原子产生键结,自然界中的碳元素主要以有机物、二氧化碳及碳酸盐(carbonates)的形式存在。碳元素是生命物质中最重要的元素,动植物体中物质的主结构,例如蛋白质、碳水化合物、DNA、RNA…等皆以碳元素连结的构造为主体。

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