【微觀世界】發現碳元素(Carbon)

■ 鉛筆中的石墨、烤肉時的木炭、戒指上的鑽石,碳元素無所不在。它還存在空氣跟我們的細胞裡。

撰文 ∣ 葉福財(台北市立建國高級中學教師)
責編 ∣ 陳竹亭(台大化學系教授、台大科學教育發展中心主任)

a lump of coal in the middle of diamons (mohammadali@flicker)
鑽石是碳的同素異形體

  人類發現炭灰(soot)的歷史已不可考,先人極早就會利用木炭(wood charcoal)生火,北京人距今約五十萬年,已有用火的跡象。焦炭(charcoal)的歷史應該和智人(homo sapiens)的文明一樣長。更貼切的說,我們是炭火之子,不懂用火的話,我們可能也度不過一萬多年前的全球大冰河時期。但是有記載的焦炭製造歷史應該是在羅馬時代,他們把木材堆成金字塔形,覆上黏土隔絕空氣後煅燒,就產生焦炭。

  英文的「碳」這個字carbon,在法文中是charbon,都源自於拉丁文的carbonum,還有德文或其他文字也都是源於煤或焦炭的意思。但是煤炭的歷史大概也是從羅馬人開始,十三世紀的僧侶萊里耳(Reinier of Liège)曾記載用「黑土」鍛燒金屬,到十八世紀歐洲工業革命,瓦特發明蒸汽機後,煤(coal)才成為主要的燃料。煤製成的焦炭多用於金屬冶鍊,煉鋼 廠以煤焦作燃料及還原劑,煤燃燒到800度以上的高溫,同時產生一氧化碳,可使鐵礦(氧化鐵)還原成金屬鐵。1722年雷歐姆(René A. F. de Réaumur, 1683-1757)證明煉鋼是鐵中滲入了一些物質,後來才知道就是碳元素。

  金剛石或稱鑽石(diamond)的發現也脫不開燃燒,人類知道天然鑽石的歷史起碼也有數千年。但是直到1772年,拉瓦節(Antoine Lavoisier)證明每克的碳和鑽石燃燒產生等量的二氧化碳,而且沒有其他的產物,故爾確定昂貴絢麗的鑽石就是純碳(編按:真是昂貴又聰明的實驗)。石墨(graphite)源自希臘文γραφειν,是畫或寫的意思,有人以為石墨是鉛,瑞典的席勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742 -1786)認為石墨是純碳,1786年,法國學家伯脫勒(Claude Louis Berthollet, 1748-1822)、孟許(Gaspard Monge)及旺德蒙地(C. A. Vandermonde)確定了石墨的化學成分,並且建議碳元素的命名為carbon。1789年,拉瓦節將「碳」納入其《化學基本原理》(Traite Elementair de Chimie)的元素表中。

Eight_Allotropes_of_Carbon

。 圖:碳的八種同素異形體—由a到h分別是金剛石(鑽石)、石墨、藍斯黛爾石(Lonsdaleite)、富樂烯、無定形碳、柰米碳管。

  碳的自然同位素(isotopes)主要是碳-12(98.93%)及碳-13(1.07%),碳-14有不穩定的原子核,會發生核衰變,放出β射線(即電子)而轉變成氮原子,半生期5730年。碳-14在地球表面的相對含量維持平衡狀態。活的生物體中因為新陳代謝,體內碳-14的相對含量與地表相同,生物體死亡後,體內碳-14逐漸遞減,測量碳-14相對含量,是推定考古年代最重要的技術,稱為碳-14定年法(radiocarbon dating),利比(Willard Frank Libby, 1908–1980)因發現此方法獲1960諾貝爾化學獎。

  柯爾(Robert F. Curl Jr., 1933-)、克羅托(Sir Harold W. Kroto, 1939-)、史莫利(Richard E. Smalley, 1943-2005)因1985年進行以高能雷射照射石墨棒的實驗,意外發現碳六十(C60)的存在,並預測碳六十有足球形的分子結構,他們共同分享 1996年諾貝爾化學獎。1991年,霍夫曼(Donald Huffman)和克雷許梅(Wolfgang Krätschmer)以電弧放電法高溫加熱石墨棒,從炭灰中分離出大量的碳六十,還有相關的碳簇(carbon clusters)分子如C70、C84、C120…等,統稱為富樂烯(fullerenes),從此碳的同素異形體(allotrope)就不限於石墨 與鑽石。碳六十是二十個六員環與十二個五員環組成的分子,又稱巴克球(Buckyball),不僅構形有趣,也展現了奇特的性質,台灣的第一批碳六十是台灣大學化學系的牟中原教授依霍夫曼的方法,於1992年初製成。

  1991年日本NEC的飯島澄男(Sumio Ijima)也用電弧放電製造C60,在炭灰中發現了多層結構的奈米碳管(multi-walled carbon nanotubes,簡寫成mwnt),隨後飯島與IBM的白頌(D. Bethune)各自獨立製造出單層結構的奈米碳管(single-walled carbon nanotubes,簡寫成swnt)。顧名思義,奈米碳管就是由碳原子構成的中空碳管,就像是石墨層捲成管子,正是理想的奈米單元建材。早在1940年代,電氣爐邊就曾發現有直徑達數奈米至數微米的細碳絲,但數量非常少,當時沒有被重視。緊隨著奈米碳管的發現,奈米科技時代終能揭開序幕。

?

本文原發表於:高瞻資源計畫平台

CASE網誌圖文好讀版 by MissZoe

14,368 人瀏覽過

10 thoughts on “【微觀世界】發現碳元素(Carbon)

  • 2009 年 12 月 26 日 at 19:52:19
    Permalink

    不知道今年初科學人雜誌介紹的石墨薄膜是否有新的發展了?

    (使用透明膠帶就能自製還真是振奮人心哪 xDD)

    Reply
  • 2010 年 01 月 03 日 at 15:43:22
    Permalink

    youtube有很多製備graphene的影片可以去看看
    不過用膠帶自備的方式有點靠運氣吧!
    我倒覺得用SiC加熱比較可以產出較大面積的graphene

    Reply
  • 2010 年 01 月 04 日 at 19:24:34
    Permalink

    真的很神奇呢!碳從以前開始就和人類的生活密不可分(可憐的二氧化碳現在變成全民公敵了),只是有點奇怪為甚麼明明都是碳元素,石墨跟鑽石價格差那麼多,只是結構跟外觀不一樣而已嘛!

    SiC加熱可以產比較大面積的石墨烯的原因是甚麼呢?

    Reply
  • 2010 年 01 月 06 日 at 01:57:04
    Permalink

    因為它是利用高熱的能量去打斷Si和C的鍵結而產生重新排列的C薄膜 若成長條件可控制到最佳化 則可能生長大片的grapene 至於用膠帶撕的 我只能說我的技術很差 目前只看到過一片是單層的 其他的都是5層以上吧!

    Reply
  • 2010 年 01 月 06 日 at 20:17:05
    Permalink

    Type your comment here

    Ching Wen :

    至於用膠帶撕的 我只能說我的技術很差 目前只看到過一片是單層的 其他的都是5層以上吧!

    差可擬...生物課觀察保衛細胞時的表皮分離煉獄! @@

    Reply
  • 2010 年 02 月 16 日 at 04:08:25
    Permalink

    老師:
    近二十年不見,您的教誨尤言在耳。
    今天與小兒研究學校科學競賽,拜讀此文,
    三十年前聽課之模樣,又浮上心頭。

    真感謝老師的教誨。

    祝 新年快樂

    學生 顏心德敬上

    Reply
  • 2010 年 02 月 16 日 at 14:28:45
    Permalink

    心德?? 好像有點兒印象,
    你的兒子正在看我的文章....
    嗯! 的確該退休了。
    順便問一個問題,
    你兒子的學習環境比你的好嗎?
    如果沒有,我就必須向你道歉。

    Reply
  • 2010 年 03 月 18 日 at 05:22:22
    Permalink

    Dear 陳主任:

    Sorry for confusion, I am a student of 葉老師福財 at 東山高中 back in 1981-1983.

    My son is 7th grade middle school student at PA, USA.

    I think it's better FREE Style learning environment in US, comparing in Taiwan.

    顏心德

    Reply
  • 2010 年 09 月 23 日 at 23:20:08
    Permalink

    阿財老師,

    我是蔡銘宏,1987東山高中畢業.
    很高興找到老師這篇網路上的文章.
    高中三年是我求學生涯中最快樂的日子.
    感謝老師,敬祝老師教師快樂.

    學生 蔡銘宏 敬上.
    2010/9/24

    Reply
  • 2010 年 09 月 23 日 at 23:28:46
    Permalink

    這位老師有這麼多學生來致意,看來教學生涯真是非常成功呢!

    Reply

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: