钻石和煤炭的本质都是“碳”，是怎样发现的？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-06-111636浏览

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原文作者：孙亚飞

有机化合物简称有机物，就是含碳化合物的总称。

只有几种物质例外：通常二氧化碳、一氧化碳之类的简单含碳化合物会被认为是无机物，但它们和有机物的关系也非常紧密。

在元素周期表上，碳元素排在第六位，看起来平平无奇，科学家们却很早就注意到它了。

碳元素第一次引起学术界的震撼，来自拉瓦锡完成的一项实验：烧一颗钻石，看看那样会产生什么。

拉瓦锡

金刚石经过人工琢磨后的产品就是钻石，因为它实在太硬了，所以在当时并没有人知道它究竟是什么物质。而且，钻石也很珍贵，一般人没有经费去研究它。（拉瓦锡本人是法国贵族，他有这个财力。）

拉瓦锡把钻石置于高温之中，发现钻石开始燃烧，最后化成了一缕青烟，拉瓦锡随后将玻璃罐中的气体导入澄清的石灰水中，得到了白色的碳酸钙沉淀，他从而得出结论，钻石的成分有可能是碳元素。

碳元素也是煤炭中最主要的元素，它和包括氢、氧、硫在内的很多元素形成了各式各样的分子。如果把煤炭中的其他元素全部脱除，只剩下碳元素，最终得到的就是石墨，它黑黝黝的外观，看起来和钻石完全不相干。

物质世界就是这样，钻石和煤炭居然如此相似。

后来，盖 - 吕萨克的实验室里来了一位叫尤斯蒂斯·冯·李比希（Justus von Liebig，1803 年—1873 年）的年轻学者。此时，盖 - 吕萨克和道尔顿的论战还没有结束，“分子”的概念也还坐着冷板凳，没什么人在意。

李比希

1830 年，李比希在前人工作的基础上，使碳氢分析发展成为精确的定量分析技术，他也成为德国化学家。

早在1815 年，印度尼西亚的坦博拉火山爆发，火山喷出的烟尘实在是太厚重了，飘在天空中，甚至在第二年，包括欧洲在内很多地区没能迎来夏天，因为阳光被空气中的火山灰吸收了。不仅如此，当云层转变为雨水时，火山灰中的很多物质也会溶解在雨水中，特别是二氧化硫这样的物质会转化为硫酸，于是雨水就成了破坏性很强的“酸雨”。

坦博拉火山

在各种因素的叠加之下，全世界都在 1816 年遭遇了不同程度的粮食减产，有些地区甚至出现了灾荒，仅欧洲就有数十万人的死亡和这场灾难相关，部分国家因此陷入动乱。

少年时期的李比希目睹了这场人间惨剧，这也促成了他一生中最关心的工作——研究如何让粮食增产。他成为农业专家，还发明出最早的化学肥料。他经过研究发现，正是因为一些特定元素在土壤中缺乏了，粮食才不能很好地生长。其中，植物最容易缺失的三种元素是氮、磷、钾，因此最流行的化肥就以这三种元素为主。因为它们的元素符号分别是 N、P 和 K，所以这类化肥就被为NPK 肥料。

李比希还注意到，土壤中的碳元素似乎也不可小觑。在此之前，英国科学家普利斯特里已经发现了光合作用。他是氧气的发现者之一，设计出的实验曾经启发了拉瓦锡。植物在进行光合作用时，会吸收空气中的二氧化碳和水，然后转化为葡萄糖，植物会以葡萄糖为原料，加工出它需要的各种物质。

光合作用解释了更早时候的“柳树实验”。17 世纪时，比利时（当时还叫尼德兰）科学家巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特（Baptista vanHelmont，1577 年—1644 年）为了弄清楚植物的养分从何而来，在大花盆里种下一棵柳树。五年后，这棵柳树的重量已经和成年人相仿，但是土壤减少的重量却只相当于两个鸡蛋而已。尽管当时还没有人能够证实“质量守恒定律”，但是海尔蒙特还是合理地推测，柳树生长时所需要的各种成分，主要来自于空气，普利斯特里最终解释了这个原理。

既然光合作用说明植物中的碳元素是植物吸收了空气中的二氧化碳才形成的，是不是土壤中的碳元素就没什么用了呢？

李比希通过实验证明，土壤中的碳元素虽然不多，可它对于植物而言，甚至比其他元素更重要。就是在这些现象的启发下，李比希提出设想，认为含碳的物质是生命体需要的，是它们让生物变得生机勃勃，故而被称为有机物，与之相对，不含谈的物质便是无机物了。

李比希找出生命体和碳元素的关系，并由此归纳了“有机物”的范畴，后世便尊他为“有机化学之父”。但他不只是在农业和有机化学方面有点造诣，同时还是一名教育家，非常善于将自己的思想传达出去。

德国著名的有机化学家凯库勒（Kekule，1829 年—1896 年）还是学生的时候，就听说李比希的讲座很有趣，去听了一次之后，就迷上了有机化学，并投入到李比希的门下。

这时候，“化合价”这个概念也已经被提了出来，凯库勒便开始用化合价的概念去解释有机物为什么与众不同。他首先确定，在有机物中，碳原子总是倾向于形成四价，最多可以同时和四个原子结合，而且碳原子和碳原子之间也可以互相连接，这就构成了有机化学最核心的基础。后来，“分子”的概念也被科学界承认了，凯库勒就更进一步，确认了很多有机物的结构。其中最著名的莫过于“苯”，至今在教科书上还流传着他的传说。

苯分子有 6 个碳原子和 6 个氢原子，按照当时的分子理论，虽然可以绘制出一些不同的结构，可是这些设想中，却没有哪一个结构是合理的。凯库勒对这个问题也是百思不得其解，白天研究，连夜里都没闲着。有一天，他做了个梦，梦到一条蛇回头咬住了自己的尾巴，受此启发终于想通，苯可能是一种“环状结构”。

后来，又有人设想出苯环结构的其他形式，因此凯库勒绘制出来的结构就被称为“凯库勒式”，以示区分。

苯分子的凯库勒式

尽管这个故事有一些附会的成分，但是“凯库勒式”的出现，的确颠覆了人们对于有机物的想象。碳原子的化合价为四价，虽然并不是最高的，但是碳原子之间却几乎可以无限连接，而且它们还可以形成环状、笼状、树枝状等各种结构，这就让有机物的形式变得非常复杂。

不仅如此，很多有机物还存在同分异构体。就像凯库勒研究苯的时候，最初设想的那些分子结构，后来有一些也通过实验被发现了。它们虽然也有 6 个碳和 6 个氢，却和苯分子有着截然不同的特性。这些原子组成化合物的分子式相同，但具有不同的结构和性质，就被称为同分异构体。这在有机化学中极为普遍。

于是，碳原子的连接千变万化，含碳的分子也难以计数。到现在为止，人类发现的物质有上亿种，其中无机物不过十余万种，有机物占了绝大多数。

凯库勒揭示了碳原子的结合规律，也有助于搞清金刚石与石墨的关系。

在金刚石中，每一个碳原子都和另外四个碳原子相结合，它们形成了立体结构，所有的电子都参与形成了化学键，每个碳原子的位置都保持稳定，不会发生位移，所以金刚石的硬度非常大。碳原子形成的石墨，是每个碳原子与另外三个碳原子以平面的方式结合，四价的碳原子留出了一个自由的电子，石墨就可以靠着这些电子自由地传递电流，不像金刚石那样是绝缘体。