碳的同素异形体有哪些？

每过十年，就会发现新的碳同素异形体。如今，它们的假设数量估计已达到 500 左右。世界上没有其他如此多才多艺的元素。

碳的简要特性
碳 (C) 是一种原子序数为 6 的非金属元素。这意味着它的原子核中有六个质子，在非电离形式下有相同数量的电子。尽管它在地壳中相对稀有，但它形成的化合物比任何其他元素都多。它是所有生物体的关键元素；它构建蛋白质、碳水化合物和脂肪的结构。它以二氧化碳 (CO 2 )的形式存在于大气中，是自然界碳循环的阶段之一。

同素异形碳有哪些品种？
由碳原子组成的结构可以采取多种物理形式。这种现象称为同素异形碳品种。

同素异形性是一种影响大量金属和非金属的现象。当给定元素的不同种类以相同的物理状态存在并且它们具有不同的化学和物理性质时，就会发生这种情况。它们可以具有晶体或分子结构并且分子中原子的数量不同。

自然界中最著名的同素异形碳品种是石墨和金刚石，它们的颜色、结构和柔软度截然不同。此外，科学家们还设法在实验室条件下创造了数十种其他品种。

石墨——一种多用途矿物
通常与铅笔联系在一起的石墨是一种柔软的灰黑色矿物质，摸起来油腻而肮脏，这并非巧合。它也是优良的电和热导体，不溶于水并具有润滑性能。它有两种结构：六角形和三角形，其原子在平行平面的网络中连接在一起。

就像其他碳同素异形体一样，石墨耐高温。用于生产电极、坩埚、耐火容器、耐火砖等。此外，还用于生产润滑剂、防腐漆和抛光剂。

石墨在自然界中存在于变质岩中，例如石墨片岩和结晶片岩。如今，其最大的生产国是中国。出于商业目的，石墨是通过无烟煤在氮气气氛中热解而获得的。

钻石——最珍贵的宝石
很难找到比金刚石和石墨更不同的两种碳同素异形体。钻石是世界上最坚硬的矿物，按照 10 点莫氏硬度计，钻石的硬度为 10。它以八面体或六面体晶体形式存在，具有高光泽和部分透明性。

最珍贵的钻石是无色的，但由于污染，它们也会变成黄色、粉色、蓝色或棕色。它们不导电，但是良好的导热体。虽然它们的表面只能被另一颗钻石划伤，但它们相对脆弱。

天然钻石主要产于原生金伯利岩和易位形成的碎屑矿床中。最优质的宝石主要用于珠宝首饰。经过适当的抛光后，它们被称为钻石，并在国际市场上达到令人眼花缭乱的价格。

低品质钻石和合成晶体也是重要的工业原材料。由于其硬度，它们被用于生产刀片、钻头和磨料。钻石还用于生产医疗和科学设备、硬度测试仪和导热膏的元件。

富勒烯，即炭黑的同素异形体
在自然界中，也可以发现少量的富勒烯。它们是具有金属光泽的棕色或黑色半透明固体。它们的分子由更多的碳原子组成——从 28 个到 1,500 个。

这些相对较新发现的同素异形碳品种由许多不同的结构组成。形成晶体的球形 C60 颗粒，也称为“巴基球”，被认为是最耐用的。此外，富勒烯还可以采取多层形式（所谓的纳米气泡）或圆柱形（所谓的纳米管）。

富勒烯化学活性低，不溶于水。它们具有半导体和超导特性。因此，它们广泛应用于电子、光学、生物医学和纳米技术行业。它们的抗氧化和药理学潜力值得特别关注。由于它们的结构和生物相容性，它们可以充当药物载体。

富勒烯主要由炭黑获得。为此，使用了多种溶剂来分离特定类型的分子。或者，它们可以从另一种碳同素异形体——在真空中用激光束轰击的石墨获得。

石墨烯——二维碳
最新发现的碳同素异形体之一是石墨烯。它是由排列成蜂窝状的单个碳原子组成的扁平结构。由于它只有一个原子厚，因此通常被认为是一种二维材料。

石墨烯是一种优良的热和电导体。它的最大优点还包括透明度和极高的电子流速——甚至高于硅。此外，石墨烯非常坚硬并且抗拉伸。

这些特性意味着石墨烯可以在电子工业中取代硅。其当前和未来的应用包括生产高速晶体管、可卷曲触摸屏显示器和带有储能电池的光伏模块。与其他碳同素异形体类似，石墨烯可以用作药物载体、组织工程原材料，甚至可以用作肿瘤治​​疗药物。

石墨烯可以通过多种不同的方式获得。如今，应用最广泛的是化学气相沉积（CVD）和碳化硅的热分解。使用胶带分离碳原子层的原始方法有时也用于实验室目的。

环碳
比石墨烯更新的同素异形碳品种称为 环碳。它形成一个由 18 个碳原子组成的环。它们之间有交替的单键和三键。

与石墨烯一样，环碳只有一个原子厚。然而，初步估计表明它是一种半导体。它的其他特性仍然未知。

据科学家称，有可能创造出环中原子数不同的环碳。它们的潜在用途包括电子设备的小型化。

其他同素异形碳品种
尽管碳很常见，但它仍然是最迷人的元素之一。为了更好地利用其特性，研究仍在进行中。碳的同素异形体在这方面似乎特别有前途。

一种有趣的聚合物是卡炔，迄今为止仍停留在假设考虑的范围内。这个名字指的是由碳原子组成的链，其潜在强度是钻石的 40 倍。然而，这种材料非常不稳定，到目前为止，它只能在纳米管内部生产。

另一种有前途的同素异形碳是所谓的Q 碳。它具有三维结构，其中碳原子形成三个配体。其可能的应用包括改善锂电池的能量存储。

此外，我们还知道碳纳米泡沫，一种具有磁性的多孔晶体结构。炭黑也是一种特定的无定形同素异形碳。

未来将展示如何使用这些和其他独特的碳结构。世界上元素丰富，技术的发展不应威胁资源或自然环境的稳定。事实上，碳的同素异形体很有可能有助于更好地管理能源并改进许多工业流程。