GCSE和A-level化學講解：碳元素

 

今天我們要聊一聊這個牛得飛起，以一己之力撐起GCSE和A-level化學幾乎1/2考點的神奇的元素：碳 （carbon）。

 

 

 

燃燒反應，化石燃料，有機合成，生物大分子，烷烯醇醛酮酸酯等等聽起來高大上但是不知道是啥的東西都跟碳這種元素緊密相關。今天我們就從簡單的入手，來一起看一看由碳原子組成的幾種大型共價化合物。

 

 1、金剛石

大型共價化合物幾乎是GCSE和A-level化學年年必出的考點，而且各大考試局在這一點上是驚人的一致。我們第一個要說的物質就是金剛石。

     金剛石又被稱為鉆石，是世界上最堅硬也最昂貴的物質之一。金剛石是一種完全由碳原子互相連接形成的化合物，從原子的層面看跟碳塊沒什么區(qū)別。是不是突然覺得鉆石變得low了一些了（手動微笑）。
 

  

 
 

金剛石的結構如上圖所示，是一種大型共價化合物（giant covalent substance）每個碳原子都跟其他四個碳原子通過共價鍵相連，共同形成了一個正四面體型網狀結構。在碳原子之間沒有任何游離電子，結構畫出來堪比密恐福利。

     由于這種由數(shù)以億計的強力共價鍵的作用，使得打開金剛石內所有的化學鍵需要消耗巨大的能量。這也是為什么金剛石如此堅硬的原因。由于金剛石的這一特征，使得它成為了切割物體的神器，比如說玻璃刀或是油井鉆頭。

 

 2、石墨

石墨和金剛石雖然同出一門，但是在非科學界里，無論是從顏值和逼格上來看都被金剛石按在地上狠狠摩擦。因為他倆一個長這樣：

 

 

一個長這樣：

 

 

相比同樣由碳原子構成的金剛石而言，石墨的長相顯然更符合碳這一元素的定位。跟金剛石一樣，石墨也是一種大型共價化合物，每個碳原子跟其他三個碳原子通過共價鍵相連，在一起形成了一層一層的正六邊形網狀結構。

     由于碳的最外層有4個電子，這里只用3個，所以剩下的一個電子就形成了游離電子（free electron）。這些游離的電子在通電的時候就會自由移動形成電流。

     這也是石墨能夠導電的原理。而且石墨的層與層之間只有非常弱的分子間作用力，跟共價鍵相比不需要太大的能量就能打開。所以也讓石墨非常的軟，更加容易切割和加工。他們倆的堅硬程度相比大概是這樣的：

 

 

由于石墨可導電的特性，使得石墨是很好的制作電極的材料。又因為石墨層與層之間可以滑動，使得石墨非常的滑，是一種很好的潤滑劑，還可以用來制造鉛筆。石墨還可以當作炸彈投擲到一些非常重要的工業(yè)場所，利用它的強導電性來造成短路，引起大規(guī)模的斷電。這招美軍曾經在海灣戰(zhàn)爭使用過。

 

 

 3、石墨烯

石墨烯是另外一種碳的形態(tài)，它的結構說白了就是單層的石墨。石墨烯有著非常高的熔點而且非常的強壯。這是因為碳原子之間是由強共價鍵連接的，想斷掉這些鍵需要很大的能量。就像是石墨一樣，石墨烯也是非常好的導體，原因也是因為自由電子可以在通電的時候自由移動從而形成電流。

 

 

4.   富勒烯

富勒烯也是碳元素的大分子形態(tài)。有兩個富勒烯的例子：納米管和巴基球。
 

納米管顧名思義，是納米級的一個小小的管子。它是由一層石墨“卷起來”形成的一個筒形的結構。納米管的韌性很強，所以納米管非常的堅韌也沒辦法被拉伸。就像是石墨烯一樣納米管也可以導電，因為他們也有：
 

可以移動的自由電子！
 

大家有沒有發(fā)現(xiàn)，凡是有能夠自由移動的電子或其他帶電粒子的結構無一例外都可以導電，這也是在A-level中一個非常重要的概念。納米管的結構如下圖，讓人有種想拿他卷烤腸的沖動呢。

 

 

另一類富勒烯就是巴基球。巴基球的結構如下圖所示，是一個球形或橢圓形的由碳原子組成的大分子。

 

 

巴基球是這里面唯一一個不是網狀結構的大分子，說明巴基球的大小是可以用多少個碳原子數(shù)來表達的。比如說由60個碳原子構成的巴基球就可以稱作碳六十。不同的巴基球之間會有很弱的分子間作用力相連。想斷掉這些分子間作用力不需要很多的能量，所以一般來說由巴基球構成的物資都比較滑，然后熔點也比鉆石和石墨低很多。

 

以上就是幾種由碳原子構成的大型共價化合物的結構講解。希望能對各位的學習有些幫助！