原子|这都可以？科学家用碳原子把“积木”搭得出神入化
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你可能听说过很多非常高端的类似于石墨 ， 碳纤维的碳材料 ， 也还有石墨烯、碳纳米管 ， 富勒烯之类的碳纳米材料 ， 要是再了解多一些 ， 你可能还听过石墨炔、T-碳等的碳材料 ， 一个“碳”原子真的很百变 。
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实际上碳元素在我们生活中无处不在 ， 作为“碳基生物” ， 碳元素是所有组成人体的元素中第二多的元素 ， 也是地球上生命体的基本骨架 。
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苯环结构
最近新鲜核桃成熟了 ， 核桃这么坚硬又别致的小东西 ， 在小编的手下被夹碎 ， 恰核桃也是非常地快乐 。 核桃皮中就有大量的木质素 ， 大约占50%以上的成分 。 而木质素恰恰就拿捏着核桃皮中最坚硬的部分 。
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图 | 某一种植物中的木质素 biooekonomie-bw.de
先别急着晕 ， 木质素是一堆乱七八糟的五元环、六元环 ， 但实际上也就是三种单体“手拉手”连接起来的一种有机物 。 你可以就当玩一个拼图游戏 ， 把下面的三个单体 ， 依次拼到上面的大分子木质素中 ， 虽然不能完全对应 ， 毕竟真正木质素中总会有一些其他的小枝杈（官能团）在里面 。
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不过话说回来 ， 为什么核桃这么硬呢？苯环在木质素中的存在赋予了它比较坚硬的特性 。 德国化学家凯库勒（Kekule）在1858年提出的碳原子之间以单双键交替的形式 ， 首尾相连形成了六元环 。 虽然后来证明这种形式是错的（应该是π-π共轭） ， 但是在书写时 ， 这样的形式被保留了下来 。
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图 | 凯库勒梦到的苯环分子式 来源：baike.baidu.com
苯环中碳原子和碳原子之间连接的稳定性不同于链状分子之间的稳定性 。 这主要是在苯环中碳原子是以sp2杂化的方式连接在一起的 ， 链状分子更多是sp3杂化 ， sp2杂化的形式会更稳定 ， 而且连接起来离域的电子能够导电 。
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图 | 碳原子的不同构型 来源：Britannica.com
所以形成苯环之后就成了平面的结构 ，
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这种结构的苯环上自由度更高的离域电子就会分布在苯环的两侧 ， 在如图两个环的区域内 。
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图 | 苯环离域电子结构 来源：baike.baidu.com
要是苯环上的六元环周围也是六元环 ， 那就是我们常听说的石墨烯了 。
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图 | 四层石墨烯
石墨烯要是能卷成一个筒 ， 那就是碳纳米管 。
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图 | 碳纳米管 来源：users.skynet.be
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来用碳原子搭积木吧
以上都是小学三年级的知识 ， 但是碳化学这门学科里的科学家 ， 可是把碳原子玩的出神入化 。 如果把碳材料按照几何形状来分 ， 可以分成零维、一维、二维 ， 三维 。
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图 | 将二维石墨烯揉一揉、卷一卷、叠一叠可以得到三个维度的碳材料 来源：sciencedirect.com
如零维的富勒烯 。 1985年英国的克罗托（Harold Kroto）和美国柯尔（Robert Curl）及斯莫利（Richard Smalley）三位科学家制备出了由60个碳原子组成的C60 ， 属于我们常听说的富勒烯 。 他们三人在1996年分享了诺贝尔化学奖 。
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