人类对碳的认识

碳在地球上的含量比较起来不算多，大概占地壳重量的1％，可是它在自然界所起的作用却非常重要，可以说没有碳就没有生命，所以人们也常说它是一切生命的基础。碳在自然界有三种不同的形态：一种是闪烁着各色光芒的金刚石，一种是灰黑色的石墨，一种是黑褐色的煤炭。
　　
　　一、古代对煤的利用
　　
　　在三种碳中，煤自古以来就是重要的燃料。在世界上中国人用煤最早，有悠久的历史。从文献记载和考古发掘来看，至迟在汉代就已用煤了。《汉书·地理志》说：“豫章郡出石，可燃为薪。”豫章郡在今江西省南昌附近，这里所说的可燃为薪的石头，其实就是煤。可见这时煤已用于群众的日常生活。新中国成立以后的考古证实：山东平陵汉初的冶铁遗址中发现了煤，河南巩县铁生沟汉代冶铁遗址发现了煤块、煤饼和煤渣；1975年河南郑州古来镇西汉中晚期至东汉的冶铁遗址中，再次发现加工过的煤饼。文献上明确记载用煤炼铁见于北魏地理学家郦道元的《水经注·河上》中说“屈茨（今新疆库车县）北二百里有山，夜则火光，昼日但烟，人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。”这说明至迟在魏晋时期我国已用煤炼铁。用煤炼铁是冶炼技术上的重大进步，因为煤比木炭的火力强而持久，可以得到更高的温度。欧洲人用煤的历史比我国晚得多。在元朝来我国工作的意大利人马可孛罗，回国后所写的一部《游记》中描写中国有一块黑石头，象木柴一样能够燃烧，火力比木柴强，从晚上燃到第二天早上还不熄灭。价钱比木柴便宜，于是欧洲人把煤当作奇闻来传颂。他们到18世纪才开始炼焦，比中国晚了500多年。
　　
　　二、金刚石和石墨的本来面目
　　
　　金刚石是一种天然矿石，常见的是无色的或略带颜色的晶体，也有极少是黑色。由于金刚石的硬度极大，反光性强，是很贵重的宝石，也是极有价值的技术材料。印度自古以来就以出产金刚石著名，那里的金刚石是从沙里采来的。后来巴西、非洲和苏联也先后发现金刚石沙地。石墨也是一种天然矿石，柔软、滑腻，轻轻摩擦能留下痕迹，颜色从黑到钢灰色。西北利亚有著名的石墨矿床，叶尼塞河流域也有丰富的石墨矿层。虽然这种矿石人们早已知道，究竟它们是什么东西构成的，到18世纪后期才搞清楚。
　　
　　世界著名的物理学家牛顿（Newton,I.1642-1727），曾怀疑金刚石是一种可燃物质，后来有人做过实验。法国化学家马凯尔（Macquer,P.J.1718-1784）和卡德(Cadet,I.C.1731-1799)做过金刚石在空气中用高温使其燃烧的实验，但仍不明白燃烧的真象，只感到它的燃烧是很惊奇的。1772年化学家拉瓦锡同他们联合重做这个实验，证明金刚石如不跟空气接触，虽然加强热也不能使它燃烧。拉瓦锡决心研究金刚石燃烧后究竟变成了什么东西。他用玻璃瓶倒立在水上或汞上，瓶上装满空气或氧气，再把金刚石放在瓶中的支架上，用大聚光镜对它加热。金刚石燃烧的结果表明，无论在水上或汞上，燃烧后生成的气体都能使石灰水产生白色沉淀，但用汞时瓶气体的体积不变，用水时气体体积有所减小。于是得知所生成的气体是二氧化碳，金刚石是碳素的一种结晶体，据后来的研究，金刚石只有当熔化的岩石在30个大气压下才能结晶出来，有时候生成金刚石的压力竟高到60000个大气压。这样大的压力只能在地下面60－1000公里的深处存在。岩石要从这样深的地方冒出地面的可能性是很少的，所以金刚石在自然界里非常稀少。在很早以前，开采到的1颗当时最大的金刚石，叫做超级金刚石，重194克。1906年开采出的更大的1颗金刚石，叫做非洲之星，重605克。通常的金刚石超过2克就很稀罕，价值也很贵。
　　
　　年轻的化学家舍勒，对两种物质都感兴趣：一种是软锰矿（即二氧化锰），一种是石墨。那时化学家还无法将这两种东西区别开，就笼统地把它们都叫做黑苦土。舍勒用软锰矿同盐酸作用，制得了氧气。在1779年，使石黑燃烧，根据实验结果证实，石黑也是由碳组成的。由于石墨同金刚石的晶形不同，虽然它们都是碳，却具有许多不同的性质。直到1841年化学家贝采里乌斯才提出同素异形体这个术语，说明同一种元素能够以各种不同的单质形式存在的现象。当时他发现并进行研究过的同素异形体，除碳以外还有硫和磷。
　　
　　三、人造金刚石的诞生
　　
　　1773年拉瓦锡将金刚石放在氧气中燃烧的实验之后100多年，法国化学家莫瓦桑（Moissan,H. 1852-1907）想利用氟代轻分解反应以制取金刚石，结果得到的是无定形碳。1890年法国化学家多布里（Daubree,G.A.1814-1896），研究含金刚石的陨石和地壳形成

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