传统节日网说起碳，在烧柴与烧煤的地方最熟知的是木炭与煤炭。木炭与煤炭都是一脸黑相。今年很多家庭早已不用柴与煤做饭取暖了，但是在街头买香喷喷的烤羊肉串时，还能看见那些正在飘着火焰的木炭。铅笔你一定用过，铅笔芯里面就有碳。饭菜烧焦了会出现黑色，那是藏在饭菜中的碳不得已露出了“尊容”。这里用了“碳”与“炭”两个字，“碳”一般来说是指碳元素；而“炭”则是以木炭为参照，指像木炭那样的一些物质。碳元素在自然界的含量只有0.023%，但是它却有着最庞大的族群，很多与黑色搭不着边的物质中都少不了碳。碳是构成一切生物体的基石。
今年大家一起到碳的家族里做一次采访，听一听各种碳单质的自述。石墨（见图13-1） 我是一种深灰色有金属光泽的细磷片状固体。我很软，你摸我的时候，会感觉我是滑腻的。我由一层层的碳原子叠加构成（石墨的结构如图13-2所示）。人们常利用我的优良导电性用我制作电极。因为我很软，容易在纸上留下深灰色痕迹，人们还用我做铅笔芯。
图13-1 石墨图 13-2 石墨的结构
木炭 我是人们将木材隔绝空气加强热生产出来的，我主要由石墨的微小晶体与少量杂质构成。由于我具有疏松多孔的结构，我能吸附一些细小物质。人们利用我的吸附能力让我吸附空气与水中的杂质以净化空气与水。例如，我可以用在蔗糖生产上吸附蔗糖原液中的色素，生产白糖。我的本体不会溶解在水中，因此容易去除，而且我是无毒的。从我燃烧后会留下一些灰白色的细粉，你就了解我不是纯净的碳。
活性炭（见图13-3） 我和木炭朋友的出身相似。我是人们用一些较特殊的木质材料如坚果的壳，通过隔绝空气加强热等技术生产出来的。由于我也有与木炭一样疏松多孔的结构，而且我与同样质量的木炭相比，有更大的表面积，因此我的吸附能力比木炭强得多，人们将我放在防毒面具中用于吸附毒性气体，医生还把我制成药向病人服下，在病人的肠胃中吸附毒素与一些病菌。在中医里，蒲黄炭、棕榈炭、地榆炭、小蓟炭等多种由植物药材制得的炭常作为内服止血药运用，这些炭的主要成分都是我。
金刚石（见图13-4） 我虽然由碳原子构成，但我不像石墨那样软，也不像石墨那样可以导电。因为我可以被加工成比金子还璀璨夺目的钻石，且不会受环境的影响轻易改变品质，还因为我太稀少，所以我的身价在装饰品中比黄金要贵得多。我还是天然物中最硬的，人们常用我来攻坚，如让我刻划坚硬的玻璃（见图13-5）。我之所以坚硬，主要是因为在我的身体里每1个碳原子都等距离地同身边的4个碳原子牢固地结合，如图13-6所示。我的纯净物是无色的，很多时候我会用杂质将自己打扮为棕、黑、黄等颜色。以前我只存在于天然矿物中，科学家了解我的本质是碳后，今年也可以用含碳的原料制造我。
图13-4 钻石
13-6 金刚石的结构
碳60我是全新由科学家制造出来的，我具有由60个碳原子构成的足球样形体（碳60的结构如图13-7所示）。我的化学式独特地表示为C60。制造我的科学家因我的降生获取了诺贝尔奖，科学家们对我寄予了很大的厚望。
石墨与金刚石在3000°C以上都难于熔化，熔点大约比铜高2000°C。
图13-7 碳60的结构图
石墨、金刚石、碳60都是碳元素的单质，由碳原子构成，但它们的性质各不相同，这是因为在它们的内部，不仅碳原子的结合方法不同，而且碳原子核外电子排布也不相同。
图13-8 金刚石的微观结构图
每个碳原子的最外电子层有4个电子。在金刚石中，两个相邻的碳原子会从自己的最外电子层各向出1个电子共用，这样每个碳原子和邻近的4个碳原子通过共用电子，可形成最外层有4对共8个电子的稳定结构（见图13-8）。金刚石中的这些电子不能在电流作用下作定给运动，因而金刚石不导电。在石墨中，同一原子层的两个相邻碳原子也会从自己的最外电子层各向出1个电子共用。这样，每个碳原子通过和邻近的3个碳原子共用电子，最外电子层最多只有7个电子，且其中有1个电子是没有共用的（见图13-9），在通电时，这个电子可以在同一原子层上作定给运动，因而石墨具有导电性。
13-9 石墨的微观结构
由此看来，物质的微观结构决定物质的性质。化学主要在分子、原子与离子的层面上研究物质的结构，同时研究原子核外电子排布的改变对物质结构的影响。
石墨、金刚石、碳60都是碳元素的单质。一种元素的几种单质叫做同素异形体，也可以说它们互称为同素异形体。大家可以说石墨、金刚石、碳60是碳元素的同素异形体，也可以说金刚石是石墨的同素异形体。
【实验13-1】
点燃一根细木条，待燃烧一半后，将细木条投入到一只无色玻璃杯中，盖上玻璃片，至木条上的火完全熄灭后，再过一会儿，取出木条观察。
木条的前段变为黑色，黑色部分较脆，这就是木炭。如果需要制取较多的木炭，可以将一些木料燃烧至火焰不多时，放入一只陶质的容器内，盖好，待完全冷却后就得到木炭了。
【实验13-2】
1．如图13-10所示给试管中加入一些用红墨水染红的水，再加入木炭粉与脱脂棉，用一根小棒将脱脂棉慢慢均匀
地给下压，将木炭粉所有挤到试管底部，使红墨水透过木炭粉过滤，观察现象。
图13-10 木炭粉过滤实验
2．另用一只试管，给试管中加入一些同样用红墨水染红的水，只用脱脂棉，将脱脂棉给下压，使水过滤，观察现象。
在操作1中，透过木炭粉与脱脂棉的水是无色的。在操作2中，透过脱脂棉的水仍为红色。介绍是木炭粉使红墨水脱色的。木炭粉使红墨水脱色是物理变化，木炭粉只是将红墨水中的红色染料吸附住了。
【实验13-3】
在细木条的一端蘸一些植物油点燃，或者点燃一支蜡烛，用一块无色玻璃片放在火焰上方，观察现象。
在玻璃片的下底面会有一些特别细腻的黑烟附着，这就是炭黑。可见，在植物油与蜡中都有碳元素。
【实验13-4】
点燃一小片塑料或尼龙布，用一块白瓷片放在火焰上方，观察现象。
在白瓷片的下底面也会有一些特别细腻的黑烟附着，这也是炭黑。可见，在塑料与尼龙布中都有碳元素。
吸烟时，烟草燃烧也会产生炭黑。这些炭黑进入呼吸道后，会沉积在肺里，影响肺的换气功能。
在已经了解化学式的几千万种物质中，绝大多数物质是碳家族的成员。
碳是一种非金属单质。一些非金属单质如氢气、氧气、氮气、氦气等都是气体；另一些非金属单质是液体，如溴；还有一些非金属单质是固体，如硫、磷。非金属单质一般熔点低、密度小、欠光泽，大多数不是电与热的良导体，且不具延展性。从非金属单质的一般特征看，碳是一种相对特殊的非金属单质。
