化学元素周期表漫谈---“多胞胎兄弟”

       在前面元素周期表的故事中讲过亲情、爱情，今天来讲一讲元素周边中的兄弟之情，而且是多胞胎兄弟的兄弟之情。这就是在元素周期表中享有第6把交椅的家族，我们碳家族的，它以兄弟众多，位列前茅。

碳

      碳元素在目前的研究中已发现它有15位胞兄胞弟，从碳八到碳二十二，一共15个兄弟。

目前已知的碳同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达五千多年，被广泛用来测定古物的年代 ，其他的均全不足半小时。在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有1.07%。

         碳家族的庞大，我们无法全部提及，今天我们就说说生活中最常见的碳家族成员。

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       一、多胞胎家族中的贵族与平民——钻石（金刚石）与石墨（铅笔芯）

       世界上最硬的物质和最软的物质的称号都归属于碳家族，一个是人见人爱的钻石，一个是学生的必备用品铅笔芯。钻石是在多胞胎家族中最受欢迎的成员之一，它以“钻石恒久远，一颗永流传”的爱情宣言俘获了众多少男少女的心，走向婚姻的殿堂时，没有钻石的相伴，生活也会失去光泽。铅笔芯的主要成分是石墨和黏土，根据不同硬度的需求，按照不同的配比来生产满足各类需求的笔芯。而这两者同样是由碳原子构成的，怎么差别这么大了？

最诡异的两兄弟

        这是由于碳本身的联结方式，原子的联结方式，是化学的本质，在钻石中，一个碳原子和四个小伙伴手牵着手（上图左），如此反复，就形成一种高密度的笼状晶体结果；但在铅笔芯中，碳原子只能牵着三个小伙伴（上图右），构成平板装，像一叠纸牌，这些纸牌的结果层层堆叠，却没有完全联结，它们可能会层层滑落，当我们用铅笔书写时，其本质就是剥去一两个板状结构，留下一道灰色的痕迹，就像蜗牛爬行过一样。

        那为什么碳原子有时只有三个小伙伴，就像铅笔芯那样，而有时又能有四个小伙伴，这太不可思议了，最软的物质和最硬的物质，怎么会都由碳构成了？

      钻石和铅笔芯的区别，可以用它们形成的环境来解释，如果是低压，原子就会平铺开来，不存在压缩或拉紧的状况，所以就会形成非常松散的晶体结构，像石墨，就是在地表附的近低压环境下形成的，但钻石只能在数千公里深的地球内部，在极端的温度和压力下才会形成，一旦有了压力，原子就会被有效挤压到一起，所以钻石就是碳原子以惊人的效率抱团而组建的团队，这些高效的联结，也是钻石成为精美珍宝的关键。

      小感悟：俗话说，百炼成钢，钢虽然也有铁的成分，但其的价格相差悬殊；碳原子也是一样，能够承受巨大压力的终成钻石，被人爱不释手，随随便便成功的只能是铅笔芯，虽有用，但永远只是低价商品。生命总是百转千折，今天的苦难，或许会成为明天的喜悦。面临低潮，不要放弃，因为不肯放弃，我们才能等待更好的明天到来。

本是同根生

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       二、多胞胎兄弟中的新贵——石墨烯

        碳家族除了唯一的贵族钻石之外，其他的难兄难弟也不敢寂寞，在平民石墨之间以一种叫“烯”合作方式，浓缩成了碳家族最近的新贵——石墨烯。

石墨烯

        石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，因为它本质上还是石墨，如果将石墨比作一本书的话，那么单层石墨烯即使其中的一页纸，所以这里也很容易知道，石墨烯是一种二维晶体。

       石墨烯出最早出现在2004年的英国实验室中，科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二，不断重复操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

       那石墨烯与石墨究竟有什么区别了？

       首次，石墨烯延续了石墨的导电性能，而且青出蓝而胜于蓝，其导电性能不仅超越了石墨，而且超越了所有的金属。石墨中自由电子受层间约束，电阻较大，导电性能差些，石墨烯中自由电子却是真的自由，几乎不受碳原子约束，因此电阻很小，一个平面的电子可以高速的移动，成就了超越所有金属的导电性能。

       所以，当你读到这里，就应该明白前几年比较热门的石墨烯电池的真相了：石墨烯只能导电而不能发电。像下文这种技术是有可能实现的，而有些其他绝对是假的。

低成本石墨烯电池将实现“一分钟充电”

据了解，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以把充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在出版的《纳米快报》上。

作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑会成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则会为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

       其次，在硬度方面，石墨烯再一次“青出蓝而胜于蓝”。石墨是矿物质中最软的，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。

       但这里的个中缘由却是大家一个常见的误区，即在两个不同的维度说同一件事情。材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念，这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说，石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好，就是它抗断裂的能力很强，这也和它的韧性很好有关系，因为容易延展而不断裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。

       再说石墨的“软”，这是物理概念，指的是硬度。硬度的衡量，是用一种材料去破坏另一种材料，被破坏的硬度就小。石墨的片层之间是范德华力，非常弱，只要用固体去划它，都能把它的片层错开，所以石墨很容易被破坏，就是说石墨很软。

阿甘

       小感悟：石墨到石墨烯，算是草根逆袭吧，原本的一介贫民，经过抽丝剥茧之后，却成了精华。人生前行路何尝不是如此，只有丢下埋藏心底的包袱，轻装上阵，我们才能走的更远！还有浓缩就是精华，要学会舍得。

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       元素周期表中的智慧，从此开始，说的好的，请给予点赞，说的不好的，请给予留言，我将及时改正。再次感谢您的阅读！

                                                                                                                            静悟缘

                                                                                                                      2018年8月7日

相关引用链接：

1、《化学元素周期表漫谈—因为爱情 》

2、《化学元素周期表漫谈—纵横捭阖 》

3、《化学元素周期表漫谈——“沃伦.巴菲特”的崛起 》

4、《化学元素周期表漫谈---“双性人”的真相 》