碳元素的發現

碳元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

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。 英文的碳字carbon，法文是charbon，都是源自拉丁文的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 （編者：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。

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。 碳原子主要是以共用電子的方式與其他原子產生鍵結，自然界中的碳元素主要以有機物、二氧化碳及碳酸鹽(carbonates)的形式存在。碳元素是生命物質中最重要的元素，動植物體中物質的主結構，例如蛋白質、碳水化合物、DNA、RNA…等皆以碳元素連結的構造為主體。