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    不一样的元素故事:碳的四个世界|《自然-化学》专栏
    点击:154|发布时间:2019-07-12

    本文是《自然-化学》元素故事系列的第28篇文章:碳的四个世界

    原文作者:Simon H. Friedman,美国密苏里大学药学院副教授

    在本文中,Simon H. Friedman展示了碳除了其在有机化学中优雅而尊贵的角色之外,还在哪些方面与我们的生活息息相关。

    有机化学家眼中的碳,就像“纽约客”眼中的世界:曼哈顿的边界即是天涯海角。在有机化学家们看来,碳构成药物、杀虫剂和染料的骨架,它美丽、可预见,而且标准。

    这些奇妙的造物拯救生命、使作物增产、还能方便地给T恤衫印上时髦的标语。而这一切都是由欧几里德和其他先贤所感悟、由鲍林所阐述的富有魅力的180°、120°和109.5°键角——来自 sp-、 sp2-sp3-杂化的碳——所构成的。

    碳所能构成的稳定结构的种类之多,在元素周期表中无可匹敌。在20世纪80年代,富勒烯的加入进一步扩充了本来就极为可观的碳的同素异形体列表(其中包括了钻石、石墨和无定形碳)。估测表明,碳有可能构成的小分子的种类,甚至要多于整个宇宙中所有原子的数量。这保证了在可预见的未来,有机化学家都不会失业。

    然而,就像纽约哈德逊河以西也还有一整个世界一样,除了有机物以外也同样存在着好几个碳的世界,而且它们对我们有着和有机物相当甚至更大的影响。虽然可能冒犯某些有机化学家的敏感神经,但为了让本文不至于挂一漏万,我必须对此进行详细说明。

    如果将有机化学称为碳的第一个世界,那第二个世界便是钢。没有碳的铁仍然足够用来钉钉马掌,但若是要造些耐用的大件就有些捉襟见肘。然而只要在铁里加入百分之一上下的碳,就产生了钢——有了钢就能造不少有用的东西了,比如推土机、抑或是二百丈高的大楼。

    碳的这一功能是通过结构特性生效的。纯铁形成的常规晶体是由最密堆积的铁原子层所构成的,这些铁原子层之间可以互相滑动,而层间的滑动会使纯铁在较轻的负载下就产生结构断裂。

    碳能够协助解决这一问题,因为碳原子能嵌入铁的晶格结构中的间隙位置。虽然碳的嵌入位置没有规律可循,但间隙碳原子所导致的作用力已足以阻止铁原子层间的滑动,因而提高了其强度,这就产生了坚韧的钢。然而此处并没有原子层面的美学在起作用;规律性或是动人的几何美感并不存在于此。

    实际上,连含碳的多少都可以上下浮动,并由此为钢带来硬度,延展性,抗拉强度等宏观性质上的不同。 “宏观性质”,看到这四个字,几乎就可以看到有机化学家们开始瑟瑟发抖。

    碳的第三个世界同样也是宏观性质的世界。这个世界一言以蔽之便是“塑料”。塑料,或者说高分子聚合物,完全改变了制造物品的方法。由碳构成的聚合物单体能够轻松地互相连接,所构成的多种多样的聚合物则具有可塑性、可降解性等等的广泛性能。

    在二十世纪上半叶需要数十道工序才能制成的物品,在下半叶可能只需要将聚合物对着模具一挤便能完成。不管在世界的哪个角落,拥有人工晶状体或是开心乐园餐玩具的人们都为此而感到开心。

    碳的第四个,也是最后一个世界则是能源。碳是驱动人类文明的主要能量来源:原油,煤炭,以及天然气。燃烧着的碳资源驱动着活塞或是汽轮,同时产生了二氧化碳。二氧化碳是热力学上的终点,因为这两对碳氧双键很强,并且在整个势能面上,碳已经没有可以轻松抵达的更低洼的地方了。

    但对有机化学家而言,比起碳在它的各个世界里所扮演的其他角色,单纯地为了能量而烧掉碳,肯定就像是在寒冷时焚书取暖、或是在饥饿时吃掉来年的种粮一样。这意味着相当程度的绝望,也是对碳所能创造的种种奇迹的背叛。或许就在有机化学家们的精致美学中,我们能找到关于碳之美的重要信息,并将之传达给整个世界。

    原文以The four worlds of carbon为标题

    发布在2012年4月23日的《自然-化学》In Your Element上

    nchem|doi:10.1038/nchem.1340

    点击“阅读原文”阅读英文原文

     

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