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2021-02-01無處不在的碳原子 碳的同素異形體點點名
614 期
Author 作者
顏宏儒／中研院化學所助研究員，致力於奈米石墨烯和儲能材料相關研究。
「石墨」（graphite）一詞聽起來或許有些陌生，但只要撥開日常生活中常見的碳鋅電池，就可以看到裡頭的黑色石墨棒；再生活化一點來說，鉛筆的筆芯也是經由石墨和黏土混合而製成。而更令人難以相信的是，又黑又軟的鉛筆筆芯和堅硬又漂亮的鑽石，兩者都是由碳原子組成，但為什麼性質會差那麼多呢？
不一樣，都一樣？其實我們是同素異形體啦！
石墨與鑽石其實是「同素異形體」（allotropy），而同素異形體是指由同一種化學元素所組成，但其結構、物理性質、化學性質或形態不相同的單質。碳原子最常見的同素異形體為鑽石和石墨，雖然兩者都是由碳原子建構而成的，但它們卻顯現完全不同的性質，這是由於它們的原子以不同的方式連結在一起。
除了石墨與鑽石之外，碳原子還有許多不同的同素異形體，本文將介紹碳原子如何架構成不同形式的單質，以及這些單質的原子結構及特性，這些單質包括石墨、鑽石、富勒烯、奈米碳管與石墨烯（圖一）。
圖一鉛筆裡面真的不含「鉛」—石墨
石墨又稱黑鉛（black lead），具有耐腐蝕性。石墨這個詞由18世紀的德國地質學家維爾納（Abraham Gottlob Werner）所命名，其希臘文的意思是「書寫」。在16世紀英國人發現大量純石墨礦藏後，石墨立刻成為鵝絨筆及墨水之外的簡便替代品──也就是後來的鉛筆。
在石墨中，碳原子皆以層狀排列，每個碳原子與周圍的3個碳原子經由共價鍵連結，形成六角形的層狀結構，而層與層之間有微弱的凡得瓦力（Van der Waals force）。在石墨的層狀結構中，每層碳原子都排成蜂窩狀晶體結構，層內原子的間距為0.142奈米（nm），層間距0.335奈米。
這種層與層間較弱的吸引力，不僅使石墨成為最軟的礦物之一，也讓它的每一層原子可以輕易地在另一層原子上滑動。而石墨的原子層之間易滑動的特點，讓石墨可做為鉛筆筆芯和潤滑劑使用。此外，原子層之間弱的吸引力也讓少數電子可沿著層面流動，使石墨成為良好的導電體。
一顆永流傳，自然界硬度最大的礦物—鑽石
鑽石（diamond）是由碳原子組成的無色晶體，也是地球上已知最堅硬的物質。鑽石中的每一個碳原子，都與附近的4個碳原子以化學鍵互相連接，鄰近原子間的距離為0.154奈米，相鄰的鍵所構成的夾角為109.5度（圖二）。
圖二：鑽石中的每一個碳原子，都與附近的4個碳原子以化學鍵互相連接，組成了堅固嚴密的四面體結構，其分子結構質地十分堅硬，莫氏硬度高達10。（123RF；作者提供）
在鑽石中，碳原子組成了堅固嚴密的四面體結構，這個看起來巨大的分子結構質地十分堅硬，莫氏硬度高達10，為自然界中硬度最大的物質，堪稱「硬度之王」。
像足球的超小型膠囊—富勒烯
長久以來，科學家一直以為碳原子只有石墨與鑽石兩個同素異形體。直到1985年，化學家柯爾（Robert Curl）、克羅托（Harold Kroto）和斯莫利（Richard Smalley）於實驗中無意地發現：石墨經高能量雷射撞擊後可形成氣體，再將氣體昇華後能得到碳族中較穩定的兩種物質。……【更多內容請閱讀科學月刊第614期】