钻石和煤炭的本质都是“碳”，是怎样发现的？
中科院物理所
2023-06-10 12:55:21
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有机化合物简称有机物，⼀般是含碳化合物。但有⼏种物质例外：通常⼆氧化碳、⼀氧化碳之类的简单含碳化合物会被认为
是⽆机物，但它们和有机物的关系也⾮常紧密。
在元素周期表上，碳元素排在第六位，看起来平平⽆奇，科学家们却很早就注意到它了。碳元素第⼀次引起学术界的震撼，来⾃拉瓦锡完成的⼀项实验：烧⼀颗钻⽯，看看那样会产⽣什么。
拉瓦锡把钻⽯置于⾼温之中，发现钻⽯开始燃烧，最后化成了⼀缕⻘烟，拉瓦锡随后将玻璃罐中的⽓体导⼊澄清的⽯灰水中，得到了⽩⾊的碳酸钙沉淀，他从⽽得出结论，钻⽯的成分有可能是碳元素。
碳元素也是煤炭中最主要的元素，它和包括氢、氧、硫在内的很多元素形成了各式各样的分⼦。如果把煤炭中的其他元素全部脱除，只剩下碳元素，最终得到的就是⽯墨，它⿊黝黝的外观，看起来和钻⽯完全不相⼲。
物质世界就是这样，钻⽯和煤炭居然如此相似。
后来，盖-吕萨克的实验室⾥来了⼀位叫尤斯蒂斯·冯·李⽐希（Justus von Liebig，1803年—1873年）的年轻学者。李⽐希1830年，李⽐希在前⼈⼯作的基础上，使碳氢分析发展成为精确的定量分析技术，他也成为德国化学家。
早在1815年，印度尼⻄亚的坦博拉⽕⼭爆发，⽕⼭喷出的烟尘实在是太厚重了，飘在天空中，甚⾄在第⼆年，包括欧洲在内很多地区没能迎来夏天，因为阳光被空⽓中的⽕⼭灰吸收了。不仅如此，当云层转变为⾬⽔时，⽕⼭灰中的很多物质也会溶解在⾬⽔中，特别是⼆氧化硫这样的物质会转化为硫酸，于是⾬⽔就成了破坏性很强的“酸⾬”。
在各种因素的叠加之下，全世界都在1816年遭遇了不同程度的粮⻝减产，有些地区甚⾄出现了灾荒，仅欧洲就有数⼗万⼈的死亡和这场灾难相关，部分国家因此陷⼊动乱。
少年时期的李⽐希⽬睹了这场⼈间惨剧，这也促成了他⼀⽣中最关⼼的⼯作——研究如何让粮⻝增产。他成为农业专家，还发明出最早的化学肥料。他经过研究发现，正是因为⼀些特定元素在⼟壤中缺乏了，粮⻝才不能很好地⽣⻓。其中，植物最容易缺失的三种元素是氮、磷、钾，因此最流⾏的化肥就以这三种元素为主。因为它们的元素符号分别是N、P和K，所以这类化肥就被为NPK肥料。
李⽐希还注意到，⼟壤中的碳元素似乎也不可⼩觑。在此之前，英国科学家普利斯特⾥已经发现了光合作⽤。他是氧⽓的发现者之⼀，设计出的实验曾经启发了拉瓦锡。植物在进⾏光合作⽤时，会吸收空⽓中的⼆氧化碳和⽔，然后转化为葡萄糖，植物会以葡萄糖为原料，加⼯出它需要的各种物质。
光合作⽤解释了更早时候的“柳树实验”。
17世纪时，⽐利时（当时还叫尼德兰）科学家巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特（Baptista van Helmont，1577年—1644年）为了弄清楚植物的养分从何⽽来，在⼤花盆⾥种下⼀棵柳树。五年后，这棵柳树的重量已经和成年⼈相仿，但是⼟壤减少的重量却只相当于两个鸡蛋⽽已。
尽管当时还没有⼈能够证实“质量守恒定律”，但是海尔蒙特还是合理地推测，柳树⽣⻓时所需要的各种成分，主要来⾃于空⽓，普利斯特⾥最终解释了这个原理。
既然光合作⽤说明植物中的碳元素是植物吸收了空⽓中的⼆氧化碳才形成的，是不是⼟壤中的碳元素就没什么⽤了呢？李⽐希通过实验证明，⼟壤中的碳元素虽然不多，可它对于植物⽽⾔，甚⾄⽐其他元素更重要。就是在这些现象的启发下，李⽐希提出设想，认为含碳的物质是⽣命体需要的，是它们让⽣物变得⽣机勃勃，故⽽被称为有机物，与之相对，不含碳的物质便是⽆机物了。
李⽐希找出⽣命体和碳元素的关系，并由此归纳了“有机物”的范畴，后世便尊他为“有机化学之⽗”。但他不只是在农业和有机化学⽅⾯有点造诣，同时还是⼀名教育家，⾮常善于将⾃⼰的思想传达出去。
德国著名的有机化学家凯库勒（Kekule，1829年—1896年）还是学⽣的时候，就听说李⽐希的讲座很有趣，去听了⼀次之后，就迷上了有机化学，并投⼊到李⽐希的⻔下。
这时候，“化合价”这个概念也已经被提了出来，凯库勒便开始⽤化合价的概念去解释有机物为什么与众不同。他⾸先确定，在有机物中，碳原⼦总是倾向于形成四价，最多可以同时和四个原⼦结合，⽽且碳原⼦和碳原⼦之间也可以互相连接，这就构成了有机化学最核⼼的基础。后来，“分⼦”的概念也被科学界承认了，凯库勒就更进⼀步，确认了很多有机物的结构。其中最著名的莫过于“苯”，⾄今在教科书上还流传着他的传说。
苯分⼦有6个碳原⼦和6个氢原⼦，按照当时的分⼦理论，虽然可以绘制出⼀些不同的结构，可是这些设想中，却没有哪⼀个结构是合理的。凯库勒对这个问题也是百思不得其解，⽩天研究，连夜⾥都没闲着。有⼀天，他做了个梦，梦到⼀条蛇回头咬住了⾃⼰的尾巴，受此启发终于想通，苯可能是⼀种“环状结构”。
后来，⼜有⼈设想出苯环结构的其他形式，因此凯库勒绘制出来的结构就被称为“凯库勒式”，以示区分。
尽管这个故事有⼀些附会的成分，但是“凯库勒式”的出现，的确颠覆了⼈们对于有机物的想象。碳原⼦的化合价为四价，虽然并不是最⾼的，但是碳原⼦之间却⼏乎可以⽆限连接，⽽且它们还可以形成环状、笼状、树枝状等各种结构，这就让有机物的形式变得⾮常复杂。
不仅如此，很多有机物还存在同分异构体。就像凯库勒研究苯的时候，最初设想的那些分⼦结构，后来有⼀些也通过实验被发现了。它们虽然也有6个碳和6个氢，却和苯分⼦有着截然不同的特性。这些原⼦组成化合物的分⼦式相同，但具有不同的结构和性质，就被称为同分异构体。这在有机化学中极为普遍。
于是，碳原⼦的连接千变万化，含碳的分⼦也难以计数。到现在为⽌，⼈类发现的物质有上亿种，其中⽆机物不过⼗余万种，有机物占了绝⼤多数。
凯库勒揭示了碳原⼦的结合规律，也有助于搞清⾦刚⽯与⽯墨的关系。在⾦刚⽯中，每⼀个碳原⼦都和另外四个碳原⼦相结合，它们形成了⽴体结构，所有的电⼦都参与形成了化学键，每个碳原⼦的位置都保持稳定，不会发⽣位移，所以⾦刚⽯的硬度⾮常⼤。碳原⼦形成的⽯墨，是每个碳原⼦与另外三个碳原⼦以平⾯的⽅式结合，四价的碳原⼦留出了⼀个⾃由的电⼦，⽯墨就可以靠着这些电⼦⾃由地传递电流，不像⾦刚⽯那样是绝缘体。
与此同时，有些物质虽然不含碳，但是它们居然也会采取有机物那样的⽅式构成分⼦，⽐如元素周期表上排在碳元素之前的硼元素，还有排在碳元素下⽅的硅元素。这些元素在和氢元素结合的时候，有时也会遵循和碳元素相似的规律，因此科学家们对它们也充满了兴趣。
我们会对不同物质的认识越来越深，是因为我们现在已经有了越来越多的分析⼿段，可以看到物质的结构——就像苯分⼦，在电⼦显微镜下就可以直接看到它六边形环状结构。
正是多变的物质结构，才让物质世界变得如此丰富多彩。