6.1金刚石、石墨和C₆₀
6.1 金刚石、石墨和C₆₀
它们物美价廉，它们价值连城；它们可以璀璨夺目，也可以黯淡如墨；它们可以象征永恒，也可以在高温的瞬间化为虚无。
从化学的视角来看，金刚石、石墨和C₆₀都是由碳元素组成的单质。
C₆₀读作“碳六十”，指的是由60个碳原子构成的分子。
引言
金刚石同样能够燃烧，金刚石在空气中的着火点为850～1000℃。下图是价值连城的实验，将金刚石点燃后放入液氧中：
早在公元前3世纪古印度开始使用金刚石。自公元纪年起至今，钻石一直是国家与王宫贵族、达官显贵的财富、权势、地位的象征。
世界金刚石矿产资源不丰富，1996年世界探明金刚石储量基础仅19亿吨，远不能满足宝石与工业消费的需要。
20世纪60年代以来，人工合成金刚石技术兴起，至90年代日臻完善，人造金刚石几乎已完全取代工业用天然金刚石，其用量占世界工业用金刚石消费量的90%以上（在中国已达99%以上）。
我们再来看一种和钻石“相似”的物质。
铅笔（Pencil），是一种用来书写以及绘画素描专用的笔类，距今已有四百多年的历史。其中，绘画素描的铅笔分为诸多类型。1564年，在英格兰一个叫巴罗代尔的地方，人们发现了一种黑色矿物——石墨。很快，当地的一些牧羊人发现，可以用石墨在羊身上画上记号。受此启发，人们把石墨块切成小条拿来写字和绘画。但石墨条很容易弄脏手，而且容易折断。1761年，德国化学家法伯尔解决了这个问题：他先把石墨矿石研磨成粉末，用水冲洗去杂质，获得纯净的石墨粉；接着，他又在石墨粉中掺入硫磺、锑、松香等物质；然后再将这种混合物加热凝固，并压制成笔的形状，这是铅笔最早的雏形。
金刚石是天然存在的最硬的物质，而石墨质地非常软，那么我们为什么说金刚石和石墨是“相似”的呢？
它们都是由碳元素组成的单质。其实除了金刚石和石墨，还有一种碳元素组成的单质：C₆₀，一个C₆₀分子由60个C原子构成。
既然它们都是由碳原子构成的单质，为什么物理性质差异特别大呢？
研究表明，根本原因在于：它们的原子排列方式不同。
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金刚石
金刚石是由碳元素构成的物质，它无色透明（注意是无色，不是白色），天然金刚石原始形状是八面体形状的。因为金刚石的结构中无自由电子，所以它不导电。
天然的金刚石经过研磨（切割，钻石工业上称为切工），就得到了现代社会重要的饰品：钻石。既然金刚石是自然界中硬度最大的物质，那么工业上用什么打磨金刚石呢？工业上常用人造金刚石砂轮或者激光进行打磨。这些都是物理变化。
金刚石常用作：裁切玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属、装在钻头上钻凿坚硬的岩层，这些用途反映了“金刚石硬度大”这一性质。而根据大量事实总结出了“金刚石硬度大”这一性质，我们又可以将其应用在多种场景中。
金刚石的导热性也很好，所以在半导体制造行业有广阔的应用前景。例如解决cpu、手机电池的散热问题等。
小故事-燃烧的钻石
1673年英国物理学家罗伯特·玻意耳首先发现钻石可以在空气中燃烧。在1722年，法国化学家拉瓦锡进行了燃烧金刚石的实验。他将金刚石放置在玻璃罩里，用放大镜把日光聚集使金刚石燃烧，得到无色气体。通过验证发现这种气体是CO2，从而证明金刚石（就是钻石）是由碳元素组成的。
1813年秋天，英国著名化学家戴维（1778—1829年）和助手法拉第（后来成为了著名物理学家）为了研究一个科题，需收集一些土壤样品，沿途考察来到了意大利佛罗伦萨托斯康纳城堡。
城堡主人是托斯康纳公爵。这个世袭的贵族，自恃祖先的荣耀和本人的身份而十分傲慢，觉得这些学者简直就是些不可思议的疯子。
戴维瞥了一下托斯康纳手指上套的一枚钻石戒指，心中一动，便开始大谈泥土中的碳元素，极力说得很通俗很有趣，以引起托斯康纳的兴趣。到后来，戴维话锋一转说：“松软的石墨和最坚硬的金刚石，都是纯净的碳构成的，就是您手上那颗美丽的钻石戒指也是纯净的碳构成的，与煤炭、木炭没什么不同。”
托斯康纳一听很不高兴，没想到这么昂贵的东西竟被说成不值一文的碳，他认为戴维是在糊弄他。便睹气地取下钻石戒指，说：“钻石不怕火，你说它是碳，请你把它烧掉吧！我倒要看看你们的话是真是假！”
戴维笑笑说：“您不后悔？”
托斯康纳狠狠地说：“君子一言，驷马难追！”
戴维便叫法拉第取来一个高倍数的放大镜和燃烧工具，然后把钻石戒指放进小箱，用水加热。过了一会，戴维举起放大镜，对准焦距，让一束用透镜聚焦的强烈阳光直射在光华夺目的钻石上。不一会，戒指和钻石都消失了。
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石墨
石墨质地很软，有滑腻感。比如锁芯生锈不容易开，可以刮一些铅笔芯的粉末灌进去，起润滑作用。可用作耐磨、润滑材料。
石墨是一种深灰色的、有金属光泽的且不透明的、细鳞片状固体。石墨中，碳原子排列方式呈蜂巢式的多个六边形。石墨的结构如下：
石墨也具有优良的导电性。比如常用的5号电池、1号电池里面的正极都是用石墨做的，称为石墨电极。此外还有电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等多种用途。
石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。
在日常生活中，有一些混合物，比如木炭、焦炭、活性炭、炭黑等，这些物质主要成分也是碳单质，结构与石墨类似。
焦炭：烧焦的碳，常用于冶金工业。
木炭：疏松多孔结构，具有吸附能力。其实许多具有疏松多孔结构的，都具有很好的吸附性。常用来吸附食品和工业产品的色素，也可以用它来吸附物质的异味。
活性炭：在水的净化中，我们已经测试过活性炭的吸附能力，其实它的吸附能力比木炭强，比如防毒面具、防雾霾口罩里都加了活性炭。市场上热销的炭包，里面也装满了活性炭，用来吸附有害气体。红糖变白糖过程中，也是利用了活性炭吸附了红糖中的色素。
炭黑：又名碳黑（carbon black），轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等。
小故事-刑夷和墨汁
文房四宝，是中国古代传统文化中的文书工具，即笔、墨、纸、砚。文房四宝之名，起源于南北朝时期，但早在周朝就有关于墨的故事。传说在周朝时，有一个擅长诗画的人，名叫刑夷。一天，刑夷在河里洗手时，看见河面上漂着一件黑乎乎的东西，他怀着好奇心捞起来一看，原来是一块尚未燃尽的松炭，便又随手丢进了河里。刑夷突然发现，自己一双刚刚洗干净的手染上了一道黑黑的颜色。“松炭既能染色，是否可以用来写字呢？”刑夷不禁思忖道。他赶紧追到下游，重新把那块松炭捞了起来。刑夷把松炭带回家，用砖头将它捣碎，制成粉末。“你干什么呀？快吃饭吧！”妻子王氏说着，把一碗麦粥端到刑夷面前。刑夷朝麦粥望了一眼，灵机一动，捧起黑粉末，“哗”地撒在麦粥碗中。“啊呀，你疯啦！”王氏惊讶地说。刑夷笑了笑，没有回答，他拿起筷子，朝碗里蘸了几下，朝墙上划了几下，墙上出现了一道道黑色的痕迹。“哈哈，我找到写诗作画的材料啦！”刑夷高兴地叫了起来。从此刑夷便用松炭粉末调成的液体写诗作画，这种液体就是中国最原始的墨汁。
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C₆₀ 碳六十
C₆₀是一种由60个碳原子构成的分子（又名足球烯。它是纯净物，所以可知，一个C₆₀分子含有60个碳原子。
这60个C原子在空间进行排列时，形成一个化学键最稳定的空间排列位置，恰好与足球表面的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒(Buckminster Fuller）的启发，富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构。因此科学家把C₆₀叫做足球烯，也叫做富勒烯(Fullerence)。它的独特结构，决定了它有一些特殊的物理和化学性质，它的质地脆，不导电，导热性差，有可能广泛应用于超导、催化、材料、医学、及生物等领域。
小故事-C₆₀的制得和毒性
C₆₀是美国休斯顿赖斯大学的史沫莱(R.E.Smalley）等人和英国的克罗脱(H.W.Kroto）于1985年提出烟火法而正式制得的。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分子，从而得到了C₆₀。C₆₀的组成及结构已经被质谱仪、X射线分析等实验所证明。此外，还有C₇₀等许多类似C₆₀的分子也已被相继发现。
科学家在生物体腹腔内注射大剂量C₆₀后的毒理研究后发现，没有证据表明白鼠在注射5000mg/kg（体重）的C₆₀剂量后有中毒现象。也没有发现给啮齿动物口服 C₆₀和C₇₀混合物2000mg/kg的剂量后有中毒现象、遗传毒性或诱变性， 其他人的研究同样证明C₆₀和C₇₀是无毒的。另一些科学家发现注射C₆₀悬浮液不会导致对啮齿类动物的急性或亚急性毒性，相反一定剂量的C₆₀会保护他们的肝免受自由基伤害。2012年的最新研究表明，口服富勒烯能将小鼠的寿命延长一倍而没有任何副作用。摩萨（Moussa）教授研究C60的性质长达18年，著有 《持续喂服小鼠C60使其寿命延长》一文，2012年10月他在一次视频采访中宣称，纯C₆₀没有毒性。
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其他
木炭
木炭具有疏松多孔的结构，有吸附能力，所以可以用来吸附色素异味。
活性炭
活性炭有较强的吸附性，防毒面具里的滤毒罐就含有它，还可以用来脱色。
现在家居装修用的炭包、活性炭口罩，净化原理都是利用活性炭的吸附性。
小结
金刚石、石墨和C₆₀都是由碳元素组成的单质。