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各具特色的碳异形体


□ 曹则贤

  翻译,从原作的终点出发.
  ——李玉民
   Carbon, in fact, is a singular element…
  ——Primo Levi The Periodic Table
  
  龙为中华图腾,象征吉祥.龙的形象是个典型的杂集诸种动物灵性与特长的概念.其子息,不能如龙本身那样集众长于一身,于是就别具一格起来,是以民间有“龙生九子,各有所好……”的说法(见《杨慎外集》).此说法,盛于明代.一说龙之九子,曰赑屃(龟像)、曰螭吻 (鸱吻、鸱尾.蜥蜴像)、曰蒲牢、曰狴犴 (宪章.虎像)、曰饕餮(狼像)、曰蚣蝮、曰睚眦(豺像);曰狻猊 (狮像)、曰椒图 (螺蚌像).当然,众口相传的东西,难免有讹错变种.出现在其他龙之九子版本中的名称还包括囚牛 (黄色小龙)、嘲风 (狗像)、负屃 (身似龙,雅好斯文)、螭首、麒麟、朝天吼、貔貅,等等.龙生九子的传说,可能源于人们对日常生活中对称性破缺现象的臆想(意象)式直观描述,类似的还有“十个手指有长短”、“一棵树的果子有酸有甜”等说法.这里涉及的事物,都是树、手、龙之类的复杂体系,其子系统表现出多样性并不令人意外.然而天机难测,这样有趣的现象,竟然由一种元素在单质物质的层面上就给敷演出来了.这种元素就是碳. 
  元素碳,其英文 carbon来自拉丁语 carbo, carbonis,燃烧的意思.碳元素在地球上的自然存在coal, charcoal (to burn,燃烧),就是我们中文中的炭 (煤炭,焦炭,木炭),其作为可燃物,早已为史前人类所认识.实际上,对炭这种天然产品的认识,中外是一样的.中文的“炭”字字面上乃“烧木余也”(《说文》).唐朝白居易就有“卖炭翁,伐薪烧炭南山中”的诗句,说明唐朝时伐薪烧炭已是一项商业化的生产活动.可见越是对自然的、历史古老的事物,人类的认识就越是统一!“碳”字,是20世纪初西学渐进时中国学者徐寿(1818—1884,江苏人)新创的,大概添加“石”旁是想表明炭是非金属矿物类,以后与元素carbon 有关的科学点的词汇都被要求写成“碳”字.不过,笔者怎么看怎么觉得多此一举,它不仅科学上是错误的,还徒增文字辨识上的麻烦.《咬文嚼字》杂志社把碳-炭列为2007年度最容易混淆的十个字之一,举例就包括有人常把“碳酸饮料”写成“炭酸饮料”, 把“炭烧咖啡”写成“碳烧咖啡”,等等.注意到把元素名称和实体名称非要用两个汉字区别开来的,碳-炭怕是独此一家,大家也就理解了为什么会容易发生混淆,因为并没有严格的定义可将两者区分开.到底是“炭黑(lampblack)”还是“碳黑”, 为什么干电池里是炭棒(炭做的棒棒),接上高电压的炭棒怎么就成了碳棒,中间的放电就叫碳弧(请注意炭棒导电的事实!)?谁又比谁科学了不成(不会是嫌焦炭太黑,金刚石不愿认亲兄弟吧)?笔者建议 (我知道人微言轻的道理,权当白说),应把“碳”字放弃掉.作为对这一建议的响应,下文中笔者将统一只用“炭”字. 
  量子力学的一大成就就是证实了元素的周期性排布.按照量子力学的近似模型,原子外部的电子呈现壳层结构,满壳层的电子数为 2n2 , n=1,2,3,4 .炭原子,原子序数为6,其电子构型为1s22s22p2 ,即具有半满的壳层.一个炭原子最多可以形成4个C-C键,且键长~1.42,也就是说,炭原子之间既有多样性的成键态,又有非常强的键合,这是炭元素会表现出众多异构体(polytype, allotrope)的根本原因.已知的炭元素异构体包括石墨(graphite)、金刚石(diamond)、六角金刚石(lonsdalite)、 巴基球(buckyball,又称富勒烯,fullerene 或 buckminster fullerene)、炭纳米管(carbon nanotube)、炭单层(graphene). 成键不是很单纯的炭的存在形式还包括无定形炭(amorphous carbon)、非晶金刚石(amorphous diamond)、类金刚石(diamond-like carbon)、石墨炭(graphitic carbon),炭晶须(whisker)、炭纤维(carbon fibers),等等.现一一介绍如下. 
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摘自:物理 2008年第06期  
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