碳的大家族

 　　在109種化學元素中，碳非常特殊：除碳之外的108種元素，它們之間所形成的化合物只有幾十萬。然而，碳的化合物卻有五百萬之多!

　　正因為碳是那般與眾不同，人們對碳也“另眼相待”!在化學上，把除了碳之外的108種元素所形成的化合物和一氧化碳、二氧化碳及碳酸鹽合稱為無機化合物，研究無機化合物的化學稱為無機化學;而碳的化合物(不包括一氧化碳、二氧化碳和碳酸鹽)合稱有機化合物，專門研究碳的化合物的化學叫做有機化學。

　　神通廣大的活性炭

　　1915年，第一次世界大戰期間，西方戰線的德法兩軍正處在相持狀態。德軍為了打破僵局，在4月22日，突然向英法聯軍使用了可怕的新武器——化學毒氣氯氣18萬公斤。英法士兵當場死了五千，受傷的有一萬五千。

　　有“矛”必然就會發明“盾”，有化學毒氣必然就會發明防毒武器。在兩個星期后，軍事科學家就發明了防護氯氣毒害的武器，他們給前線每個士兵發了一種特殊的口罩，這種口罩里有用硫代硫酸鈉和碳酸鈉溶液浸過的棉花。這兩種藥品都有除氯的功能，能起到防護的作用。

　　可是，令人為難的是敵方并不老是使用氯氣，如改用第二種毒氣，這種口罩就無能為力了。事實也是如此，在使用氯氣后還不到一年，雙方已經用過幾十種不同的化學毒氣。

　　所以，必須找到一種能使任何毒氣都會失去毒性的物質才好。

　　這種百靈的解毒劑在1915年末就被科學家找到了。它就是活性炭。

　　大家也許知道，把木材隔絕空氣加強熱可以得到木炭。木炭是一種多孔性物質，多孔性物質的表面積必然很大。物質的表面積越大，它吸附其他物質的分子也就越多，吸附作用也就最強烈。如果在制取木炭時不斷地通入高溫水蒸氣，除去沾附在木炭表面的油質，使內部的無數管道通暢，那么木炭的表面積必然更大。經過這樣加工的木炭，叫做活性碳。顯然，活性炭比木炭有更強的吸附作用。

　　在1917年，交戰雙方的防毒面具里都已裝上了活性炭。

　　奇怪，活性炭的眼睛為什么那么雪亮，能抓住毒氣而放過氧氣、氮氣呢?

　　原來，活性炭的吸附作用同被吸附的氣體的沸點有關。沸點越高的氣體(即越容易液化的氣體)，活性炭對它的吸附量越大。軍事上使用的大多數化學毒氣的沸點都比氧氣、氮氣高得多。

　　請不要以為活性炭只用在防毒面具里，它還有許多其他用途。

　　在自來水工廠里，如果水源有臭味，只要讓水流過活性炭后就不臭了。你也許會說自來水仍然有股味。這是氯的氣味，因為自來水常用氯來消毒。

　　在制糖廠里，工人們往紅糖水里加一些活性炭，經過攪拌和過濾，可以得到無色的精液，再減壓蒸發水分，紅糖就變成晶瑩的白糖了。

　　現代家庭的金魚缸里，有不少裝著電動水泵，讓水循環通過濾清器。在濾清器里也用活性炭去吸附水中的臭味和雜質。

　　令人討厭的寶貝——煙炱

　　你認識煙炱嗎?

　　在煙囪里、灶膛內、鍋底上，以及煤油燈玻璃罩壁上那些黑色粉末，就是煙炱。化學課本里也叫它炭黑。

　　你喜歡煙炱嗎?

　　從煙囪里出來的煙炱，到處亂飛，它熏黑了蚊帳，弄臟了人們的衣服，污染了清新的空氣。干了這么多壞事，誰還會喜歡它呢?難怪現代工廠的煙囪，大都加了除煙消塵裝置。

　　可是你知道嗎?如果沒有煙炱，人類的精神文明和物質文明又會變成什么樣子?

　　誰都知道，寫字的墨汁是黑色的，印書的油墨是黑色的，汽車和飛機的輪胎也是黑色的。這種種黑色的東西，里面都有煙炱的成分。

　　煙炱對于橡膠工業極為重要，百分之九十左右的煙炱用于橡膠工業。制造一個汽車輪胎，需要好幾公斤的煙炱。橡膠是一種大分子化合物，分子間的空隙很多，加進煙炱主要是為了填充這些空隙，增強橡膠的機械強度，使它有耐拉、耐撕、耐磨等優良性能。

　　如果沒有煙炱，世界上就沒有字跡經久不衰的書，汽車不能跑長途，飛機也難以起飛。

　　煙炱如此重要，怎樣來生產呢?

　　我國的勞動人民早在一千七百多年前就懂得用煙炱來制造墨汁。當時所用的煙炱是從煙囪里收集得到的。從煙囪收集煙炱，數量終究有限，滿足不了社會發展的需要。

　　后來，我國勞動人民發明了一種特制的窯。讓松脂在窯里不完全燃燒，從而得到較大量的煙炱。

　　用松脂來燒取煙炱，使大片松樹被砍伐，出現大量荒山，破壞了生態平衡，最后將給人類帶來災難。

　　幸好在北宋時，我國科學家沈括發現了用燃燒石油的方法來制取大量的煙炱。現代，人們主要是用分解天然氣的方法來制取大量的煙炱。

　　在化學家的眼里，世界上沒有無用的廢物。煙炱也不例外。所以我們對煙炱的態度，應該是揚長避短，讓他們更好地為人類服務。

　　鉛筆芯是鉛做的嗎

　　鉛筆芯是鉛做的嗎?

　　是的，它是用鉛做的。不過這是五百多年前的事情，用鉛做的筆寫字看起來不太清楚。到了近代，人們就用石墨來制造鉛筆了。

　　石墨是黑色的細鱗片狀的晶體，在大自然中，有天然的石墨礦。石墨礦是由一些古代的樹木，因為地殼運動埋到地下，在地下受到高壓慢慢形成的。可是天然石墨礦太有限，迫使人們無法坐等大自然的恩賜，而要向大自然索取。人們發明了人造石墨的方法，把煤放在電爐里，通入強大的交流電，加熱到兩三千度，使煤再結晶而變成石墨。

　　鉛筆芯有硬有軟，有黑有淡。這是怎么一回事?如果你能注意鉛筆桿上標的符號，就不難總結出下面的規律：

　　6H、5H、4H、2H、H、HB、B、2B、3B、4B、5B、6B

　　這里H代表英語的Hard(硬)，B代表英語的Black(黑)。鉛筆芯只用石黑做原料，雖然很黑，但太軟了。所以必須摻些純粘土，粘土粘得越多，硬度越大，筆跡也就越淡。

　　中小學生書寫用的鉛筆多是HB，5B、6B多用于畫圖畫，而5H、6H多用于多層復寫。

　　在鉛筆里，工人們把石墨、粘土分別研細，然后混合，再加適當輔助材料，揉成黑面團，在機器里像擠牙膏一樣把它變成黑面條。把黑面條烘干，便成了鉛筆芯。

　　“處處留心皆學問”，可不是嗎?一支小小的鉛筆，可以寫成一本書，這里僅是其中的一頁而已。

　　鉛筆的絕招

　　誰都知道，鉛筆是用來寫字的，但它另有絕招——能醫銹鎖。

　　生銹的鎖打不開，在進鑰匙的孔內加一點鉛筆芯粉末，往往就能打開銹鎖。

　　鉛筆芯怎么會有這種絕招呢?原來，鉛筆芯里含有石墨，而石墨有潤滑性。用手摸摸鉛筆芯的粉末，會有一種滑膩的感覺。所以，鉛筆芯能潤滑銹鎖。

　　石墨熔點很高，達三千多度。作為潤滑劑，它特別適用于在高溫狀態下工作的機器。在高溫下，一般機油會分解，然而石墨卻“安然無恙”，繼續發揮潤滑作用。

　　有一種軸承，它在成型時加進了石墨粉。這種軸承能長期工作而不必加油滑潤，它自身有石墨在起潤滑作用。這是多么巧妙的軸承啊。

　　在直升飛機機艙的門紐上，已經大量使用新型高精度的純石墨軸承。這種軸承既耐低溫又耐高溫，特別令人驚嘆的是，在真空條件下，它仍能保持良好的潤滑性。

　　不怕火的石墨

　　俗話說，真金不怕火煉，其實石墨才是更不怕火的東西。金子受熱到1337℃就熔化了。而石墨在3500℃還不熔化。石墨在純氧氣里受熱能燃燒，變成二氧化碳，但是在空氣中，哪怕受到強熱，也燃不起來。

　　石墨能耐高溫，而且容易傳熱，又能經得住溫度的自然升降，所以特別適宜制造坩堝。石墨坩堝常用來熔煉熔點很高的金屬。一個石墨坩堝可以熔銅達60次，熔鋼10～15次，而普通的耐火泥坩堝，壽命只有石墨坩堝的五分之一。

　　石墨不怕火，你也可以親自試一試。取鉛筆芯一小段(HB鉛筆芯含有50%以上的石墨)，放在火里長久加熱，鉛筆芯依然如故，書寫起來也跟以前一樣。

　　“石墨不怕火”，這對石墨并不過獎，它是當之無愧的。

　　令人向往的金剛石

　　遠在五千年前，人類已經認識了金剛石。當然，古人發現金剛石的性質是十分偶然的，他們從沙漠里采來金剛石，在加工金剛石時，發現任何堅硬的石頭或金屬都不能在金剛石上刻出痕跡來，而金剛石卻能毫不費力地刻劃任何堅硬的石頭或金屬。因此，古人認識到金剛石是自然界中最硬的石頭。金剛石的拉丁文名稱的原意是“不可戰勝的”，指的就是它的這一特性。

　　金剛石如此堅硬，這決定了它在工業上有很重要的用途。割玻璃用的刀，其實就是把一粒芝麻大的金剛石，嵌在剛鐵做成的刀基上。在機械廠里，人們用金剛石切削一些硬質合金。采礦用的鉆探機鉆頭上，也有許多金剛石，有了它，鉆頭才能無堅不摧地向地下進軍。在一些精密儀器中，金剛石常用來作軸承，保證儀器長期準確無誤地轉動。

　　大自然里沒有比金剛石更硬的物質。如果要琢磨金剛石，只能用金剛石做成的砂輪。金剛石折射光線的能力很強，它被琢磨以后，在光線的照射下，五光十色，十分迷人。金剛石是世界上最美麗的寶石，有寶石之王的稱號。據說幾十年前英國女王結婚時，有一個大富翁送給她一顆重11.48克的金剛石作賀禮，這顆金剛石的價格高達幾十萬!

　　“死狗洞”的秘密

　　在意大利有一個“死狗洞”，狗一過去就會死亡，人走過去卻安然無恙。為什么會有如此奇怪的現象呢?迷信的人說：“洞里住了個專殺狗的妖怪”。

　　有一天，一位科學家來到這個洞，想看看里面到底有沒有妖怪。他在洞里到處找，始終不見妖怪出來。只見巖洞的頂上倒懸著許多鐘乳石，一敲就會響，地下叢生著石筍，濕濕的泥土里冒著氣泡。科學家恍然大悟，原來這個妖怪是碳的一種叫作“二氧化碳”的氧化物。

　　生長鐘乳石和石筍的巖洞，就是石灰巖溶洞，石灰巖的主要成分是碳酸鈣，它在地下深處受熱分解就會放出二氧化碳氣體。含二氧化碳的地下水，會溶解石灰巖中的碳酸鈣，生成溶于水的碳酸氫鈣。當含有碳酸氫鈣的地下水滲出地面時，由于壓力降低，碳酸氫鈣就分解出二氧化碳氣體。二氧化碳比空氣重，它從水里選出后積聚在地面附近，形成半米左右高的氣層。

　　二氧化碳會使人和動物窒息。人站在洞里，氣層只沒到膝蓋，雖然會有少量二氧化碳擴散開來，但它僅使人們感到不舒服，而在地上的狗完全淹沒在二氧化碳氣層里，所以會窒息而死。

　　為什么汽水喝了能使人涼快

　　十六世紀時，英國一些商人在某個礦泉區避暑，偶然發現這里的礦泉水稍受熱會冒氣泡，喝起來特別涼快。于是他們就把這種礦泉水當作飲料出售，這種飲料可以說是天然汽水。

　　后來，科學家揭開了天然汽水喝了能使人涼快的秘密。原來這種礦泉水含有較多的二氧化碳。人們喝了這種礦泉水，腸胃并不吸收二氧化碳，由于體內溫度較高，二氧化碳就迅速從食道經口腔排出，帶走人體內的熱量，使人有涼爽的感覺。

　　后來，人們又發現這種礦泉水還能幫助消化。因為二氧化碳溶于水后，使溶液稍有酸味和辣感，對胃壁有輕微的刺激作用，能加快胃液的分泌。

　　天然汽水是一種好東西，然而它并不是到處都有的，不能滿足人們的需要。既然這種礦泉水的主要特點就是含有較多的二氧化碳，那為什么不人工制造呢?

　　到了十七世紀，世界上出現了人造汽水。在汽水工廠里，工人們先在瓶子里備好汽水溶液，這種溶液是由糖、水果汁、染料跟水混合而成的，然后用高壓強迫二氧化碳溶解在里面，最后加蓋密封，這就制成了人造汽水。

　　當你打開汽水瓶蓋時，由于外面的壓強較小，二氧化碳氣體就逸出，頓時瓶里氣泡翻騰，瓶口泡沫橫溢，多么有趣。

　　如果你能動手自制汽水，那喝起來將會甜美愉快，沁人心脾。

　　怎么自制汽水呢?取一只干凈的汽水瓶，把冷開水注入瓶中，不要太滿，加入一些砂糖和水果汁，再加入1.5克小蘇打，最后投入1.5克檸檬酸，立即用塞子塞緊，并且用繩或鐵絲把塞子扎緊，防止汽水沖出，大約20分鐘后，就可以飲用自制汽水了。

　　自制汽水十分有趣，但要注意安全，不然就會發生爆炸事故。為了安全，選用的瓶必須厚實，沒有裂痕，不能用一般的薄壁瓶，另外，絕對不能隨便增加檸檬酸和小蘇打的用量。注意了這些，你就不用害怕，放心去制作吧。

　　能“呼風喚雨”的干冰

　　1958年，遼寧省久旱不雨，人民空軍用飛機在天上播撒“干冰”，不消20分鐘就下了雨，而且連續下了四天。

　　干冰是什么東西呢?它就是固態的二氧化碳。二氧化碳氣體在加壓和降溫的條件下，會變成無色液體，再降低溫度，會變成雪花般的固體，經過壓縮，就會成干冰，它在一個標準大氣壓下，可以在—78℃時直接變成氣體。

　　干冰為什么會有“呼風喚雨”的本領呢?

　　大家知道，老天不下雨，不是水蒸氣沒有遇到凝結核，結不成小水點，就是已經凝結的小水點，因為氣溫太高，沒等落到地面，已經蒸發掉了。當飛機把干冰撒在空中，它立即氣化，向云層奪取大量的熱，使云層冷到—40℃。每克干冰能造成100億個小冰晶，周圍的云霧碰到小冰晶，便以它為中心凝成大水滴，于是就下起雨來。

　　干冰大事做得了，小事也干得來。

　　當用火車運載鮮魚時，它就守衛在鮮魚的旁邊，起制冷防腐的作用。干冰外表像冰，可作為防腐劑，它比冰優越得多。干冰熔化時不會像冰那樣變成液體，它全部氣化，四周干干凈凈。干冰冷卻的溫度比冰低得多，而且干冰氣化后產生的二氧化碳氣體，能抑制細菌的繁殖生長。

　　干冰有時也蹲在作物的溫室里，逐漸揮發出二氧化碳氣體，給作物提供光合作用的原料，促進作物開花結果，提高作物的產量。

　　干冰做事，往往不聲不響，但有時也轟轟烈烈，驚心動魄。在采煤工業上，把干冰放在炸藥倉里，當炸藥爆炸時，干冰立即氣化，產生大量二氧化碳氣體，既助長炸藥爆炸的威力，也可防止失火事故。煤層中往往有一些可燃性氣體，但是靠二氧化碳這種不是支持燃燒的氣體隔絕了空氣，它們就燃燒不起來了。

　　多可愛的干冰啊，但你千萬別像對待冰那樣用手去摸它。因為干冰的溫度太低了，會把手凍傷。凍傷像燒傷一樣非常灼痛，日后皮膚還會潰爛，所以千萬不要用手直接去碰干冰。

　　為什么滅火器能滅火

　　一天，消防隊接到電話，說有一所房子著火了。消防隊員很快趕到了那個地方，拿出滅火器，對著火焰，然后按動操縱桿，只見一股氣泡不斷地從滅火器里噴出來，蓋在了火焰上，很快大火就被撲滅了。

　　滅水器為什么能滅火呢?

　　原來滅火器里裝的是明礬水和碳酸氫鈉溶液，還有一些能發生泡沫的物質。起初是分開的，消防隊員拉動操縱桿時，它們混合在一起，就發生了化學反應，生成大量的二氧化碳泡沫，二氧化碳既不能燃燒也不能幫助燃燒，它蓋在火焰上之后，就把可燃物質與空氣隔開了。我們大家都知道，在一般情況下，沒有氧氣物質是不能燃燒的，所以火就被撲滅了。

　　起死回生的湖

　　據說瑞典中部的霍姆斯喬湖，受酸雨(工廠排出的廢氣，使雨帶酸性)污染，酸度增大，魚蝦全都死去了，整個湖變成了一潭死水。

　　靠近湖邊有一座大型蛋糕廠，每月要扔掉幾噸蛋殼，可是苦于無處容納這么多的廢物。有個聰明人建議在那里開通一條水路，讓蛋殼順水流于湖中。人們照辦了，結果妙極了。既解決了蛋殼的去處，又使湖水酸度下降，魚蝦重新出現，水草也繁生起來，湖中到處都是生機勃勃。

　　蛋殼為什么能使霍姆期喬湖起死回生呢?原來蛋殼的主要成分是碳酸鈣，它會跟酸起反應，消除湖水的酸性。

　　其實，這個辦法跟用石灰石粉消除土壤酸性的道理完全相同。建議中別出心裁地用難以處置的蛋殼去代替石灰石粉，更妙的是開通了一條水路，讓蛋殼自己順水流于湖中，省去了運輸的麻煩。

　　救活霍姆斯喬湖的建議是令人嘆服的，但對提出這個建議的人，我們可不必五體投地。其實他只不過有比較豐富的知識，并善于運用類比的思維方法而已。“創造力人皆有之”，如果你能學他的樣子，同樣可以有所發明和創造，試試看吧。

　　詩歌中的化學

　　杜甫是唐代的一位大詩人，他的事跡家喻戶曉，各位小朋友對他一定很熟悉。他在一首詩中，記述了一件他十分迷惑不解和懊惱的事情：

　　客從南溟來，遣我泉客珠。

　　珠中有隱字，欲辨不成書。

　　緘之篋笥久，以俟公家須。

　　開視化為血，衰今征斂無。

　　詩的大意是說，從南方來了一位客人，他送給詩人一顆珍珠，珍珠上以乎有花紋或字跡，詩人珍藏在箱中，過了好久，他打開箱子，卻發現珍珠已經不翼而飛，只剩下了一些紅色的液體。

　　大家知道，珍珠是珍珠貝的外套膜中受到刺激后產生的分泌物質聚積而成的，它的主要成分是碳酸鈣，還有少量的有機質。碳酸鈣難溶于水，但在酸性條件下能轉變為酸式鹽而溶解：

　　CaCO3+CO2+H2=Ca(HCO3)2

　　杜甫住的房子漏雨潮濕，竹箱沒有防潮的性能，遇到水和空氣中的二氧化碳氣體后，珍珠就發生了化學變化，成了紅色液體，杜甫當時不知道這些化學知識，所以會迷惑不解。

　　二氧化碳引起的死亡

　　在2.5億年前，地球上只有一塊單獨的超級大陸，一個未被分裂的海洋覆蓋了地球其他部分。那時候的氣候很熱，大洋表面的水由于吸收了絕大部分的陽光，溫度升高，密度變小，因而根本流不到深處。與之相反，大洋深處的水幾乎沒有接收到陽光，因此變得十分冰冷和稠密，幾乎是不流動的。

　　當死亡的生物從水表沉到水底，它們在腐爛的過程中會逐漸從不流動的水里吸收氧氣。由于幾乎沒有水流到深處，所以沒有途徑從表層水中帶進新鮮的氧氣。有機物在腐爛時除吸收氧氣外，還要放出二氧化碳。當大洋深處水中的氧氣慢慢消失時，二氧化碳的含量卻越來越多。

　　由于海洋中的二氧化碳越來越多，大氣中的二氧化碳日趨減少，這減弱了溫室效應，地球的氣溫開始下降。在幾千萬年里第一次出現了南北極的冰川，冰川附近的地表水變冷，密度增大，這引起了海水的流動，當裝載著豐富二氧化碳的深層水流到淺水河區時，物種的滅絕開始了，許多海洋生物由于呼吸不到新鮮的氧氣而死去了。

　　在二氧化碳殺死大部分海洋生物后，由于壓力的減輕，它在水中的溶解度變小，大量的二氧化碳紛紛追出海面，進入大氣中。隨著溫室效應的加強，地球上的氣候重新變熱。快速的氣候變化使生活在陸地上的生物日子也很難過，那些適應不了氣候變化的生物大批大批地滅絕了，只有大約5%適應能力很強的物種才僥幸活了下來。

　　這就是科學家對發生在2.5億年前的那次生物大滅絕的原因所作的推測。

　　殺人湖

　　也許你們知道世界上有許多“死谷”，人們一進去就再也出不來了，可你們是否知道，這世界上還有一個殺人湖呢?

　　在1984年的一天清晨，在非洲足球強國喀麥隆的莫農湖畔，人們發現了三十多具尸體，他們的鼻和口中，都有許多血跡，身上還有輕度的灼傷。

　　是誰殺害了他們呢?

　　警方在調查后得知，前一天晚上，莫農湖曾發出了一聲震耳欲聾的爆炸聲，他們去請教科學家，科學家在研究分析了莫農湖之后，說這個湖泊是造成三十多人死亡的罪魁禍首。

　　這是什么原因呢?

　　原來莫農湖座落在火山附近，由于火山噴發，湖底充滿了大量的二氧化碳。地殼運動導致了湖底出現了滑坡，水對二氧化碳的壓力變小，于是大量的二氧化碳從水中“跑”了出來，這時，正好有三十多人呆在湖邊，高濃度的二氧化碳使他們在瞬間之內窒息死亡。

　　那天早上霧很大，二氧化碳遇水形成碳酸，因而，死者身上有輕度的灼傷。法醫解剖尸體后證實了科學家的斷言。

　　神奇的碳鐘

　　在廣袤的大自然中，有形形色色的“鐘表”在不停地運行，記錄下時間老人的行動軌跡，碳鐘就是其中的一員。

　　日本千戶縣風川地方的泥層中，發掘出了一些保存得很好的古蓮子。科學家們測定這些種子已有三千歲了。這些種子經過培育，照樣開花結了果實。

　　在八十年代，考古人員在新疆省的羅布泊發現了一具褐色的年青女尸。她的頭發微卷，眼睛閉著，就像沉睡中的少女。科學家們說，這具女尸距今已有兩千多年了。

　　科學家是怎么知道女尸和古蓮子的年齡呢?

　　原來，自從本世紀發現放射性元素和它蛻變生成的同位素后，科學家們找到了一種大自然的“鐘表”——放射性C14，這種“碳鐘”不需要人上發條，也不會受外界溫度、壓力等影響。億萬年來，它始終準確和不停地走動著。用它可以準確地測定一些物質的年齡。

　　放射性C14是一種不穩定的同位素，它會不斷放出射線并轉化成正常的碳元素，而大氣中由于天外射線的影響，又會不斷地產生新的C14，使總量保持平衡。

　　地球上的所有生物，活著的時候總是不斷地吸收大氣中的二氧化碳，也吸收了混合在一起的C14，只有當動植物死亡后，它們與外界停止了物質交換，C14的供應也就停止了。從這時候起，生物體內的C14由于不斷放出射線，含量逐漸減少。大約平均每過5568年，C14的含量會減少一半，這段時間叫做放射性同位素的“半衰期。”要知道女尸和古蓮子的生長年代，只要測定一下它們中C14的含量，就可以推算出來了。

　　考古學家還用碳鐘來確定古代文物的年代。例如，埃及古墓中出土的一個船形器皿，考古學家取下器皿上的一塊木片，經碳鐘測定，距今約有3620年。我國考古學家使用碳鐘確定西安半坡村為新石器時代遺址，距今約有六千多年的歷史。