鉆石和煤炭的本質(zhì)都是“碳”，是怎樣發(fā)現(xiàn)的？

有機(jī)化合物簡(jiǎn)稱有機(jī)物，就是含碳化合物的總稱。

只有幾種物質(zhì)例外：通常二氧化碳、一氧化碳之類的簡(jiǎn)單含碳化合物會(huì)被認(rèn)為是無(wú)機(jī)物，但它們和有機(jī)物的關(guān)系也非常緊密。

在元素周期表上，碳元素排在第六位，看起來(lái)平平無(wú)奇，科學(xué)家們卻很早就注意到它了。

碳元素第一次引起學(xué)術(shù)界的震撼，來(lái)自拉瓦錫完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：燒一顆鉆石，看看那樣會(huì)產(chǎn)生什么。

金剛石經(jīng)過(guò)人工琢磨后的產(chǎn)品就是鉆石，因?yàn)樗鼘?shí)在太硬了，所以在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有人知道它究竟是什么物質(zhì)。而且，鉆石也很珍貴，一般人沒(méi)有經(jīng)費(fèi)去研究它。（拉瓦錫本人是法國(guó)貴族，他有這個(gè)財(cái)力。）

拉瓦錫把鉆石置于高溫之中，發(fā)現(xiàn)鉆石開(kāi)始燃燒，最后化成了一縷青煙，拉瓦錫隨后將玻璃罐中的氣體導(dǎo)入澄清的石灰水中，得到了白色的碳酸鈣沉淀，他從而得出結(jié)論，鉆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，它和包括氫、氧、硫在內(nèi)的很多元素形成了各式各樣的分子。如果把煤炭中的其他元素全部脫除，只剩下碳元素，最終得到的就是石墨，它黑黝黝的外觀，看起來(lái)和鉆石完全不相干。

物質(zhì)世界就是這樣，鉆石和煤炭居然如此相似。

后來(lái)，蓋 - 呂薩克的實(shí)驗(yàn)室里來(lái)了一位叫尤斯蒂斯·馮·李比希（Justus von Liebig，1803 年—1873 年）的年輕學(xué)者。此時(shí)，蓋 - 呂薩克和道爾頓的論戰(zhàn)還沒(méi)有結(jié)束，“分子”的概念也還坐著冷板凳，沒(méi)什么人在意。

1830 年，李比希在前人工作的基礎(chǔ)上，使碳?xì)浞治霭l(fā)展成為精確的定量分析技術(shù)，他也成為德國(guó)化學(xué)家。

早在1815 年，印度尼西亞的坦博拉火山爆發(fā)，火山噴出的煙塵實(shí)在是太厚重了，飄在天空中，甚至在第二年，包括歐洲在內(nèi)很多地區(qū)沒(méi)能迎來(lái)夏天，因?yàn)殛?yáng)光被空氣中的火山灰吸收了。不僅如此，當(dāng)云層轉(zhuǎn)變?yōu)橛晁畷r(shí)，火山灰中的很多物質(zhì)也會(huì)溶解在雨水中，特別是二氧化硫這樣的物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為硫酸，于是雨水就成了破壞性很強(qiáng)的“酸雨”。

在各種因素的疊加之下，全世界都在 1816 年遭遇了不同程度的糧食減產(chǎn)，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)了災(zāi)荒，僅歐洲就有數(shù)十萬(wàn)人的死亡和這場(chǎng)災(zāi)難相關(guān)，部分國(guó)家因此陷入動(dòng)亂。

少年時(shí)期的李比希目睹了這場(chǎng)人間慘劇，這也促成了他一生中最關(guān)心的工作——研究如何讓糧食增產(chǎn)。他成為農(nóng)業(yè)專家，還發(fā)明出最早的化學(xué)肥料。他經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，正是因?yàn)橐恍┨囟ㄔ卦谕寥乐腥狈α?，糧食才不能很好地生長(zhǎng)。其中，植物最容易缺失的三種元素是氮、磷、鉀，因此最流行的化肥就以這三種元素為主。因?yàn)樗鼈兊脑胤?hào)分別是 N、P 和 K，所以這類化肥就被為NPK 肥料。

李比希還注意到，土壤中的碳元素似乎也不可小覷。在此之前，英國(guó)科學(xué)家普利斯特里已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光合作用。他是氧氣的發(fā)現(xiàn)者之一，設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)啟發(fā)了拉瓦錫。植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，會(huì)吸收空氣中的二氧化碳和水，然后轉(zhuǎn)化為葡萄糖，植物會(huì)以葡萄糖為原料，加工出它需要的各種物質(zhì)。

光合作用解釋了更早時(shí)候的“柳樹實(shí)驗(yàn)”。17 世紀(jì)時(shí)，比利時(shí)（當(dāng)時(shí)還叫尼德蘭）科學(xué)家巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特（Baptista vanHelmont，1577 年—1644 年）為了弄清楚植物的養(yǎng)分從何而來(lái)，在大花盆里種下一棵柳樹。五年后，這棵柳樹的重量已經(jīng)和成年人相仿，但是土壤減少的重量卻只相當(dāng)于兩個(gè)雞蛋而已。盡管當(dāng)時(shí)還沒(méi)有人能夠證實(shí)“質(zhì)量守恒定律”，但是海爾蒙特還是合理地推測(cè)，柳樹生長(zhǎng)時(shí)所需要的各種成分，主要來(lái)自于空氣，普利斯特里最終解釋了這個(gè)原理。

既然光合作用說(shuō)明植物中的碳元素是植物吸收了空氣中的二氧化碳才形成的，是不是土壤中的碳元素就沒(méi)什么用了呢？

李比希通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，土壤中的碳元素雖然不多，可它對(duì)于植物而言，甚至比其他元素更重要。就是在這些現(xiàn)象的啟發(fā)下，李比希提出設(shè)想，認(rèn)為含碳的物質(zhì)是生命體需要的，是它們讓生物變得生機(jī)勃勃，故而被稱為有機(jī)物，與之相對(duì)，不含談的物質(zhì)便是無(wú)機(jī)物了。

李比希找出生命體和碳元素的關(guān)系，并由此歸納了“有機(jī)物”的范疇，后世便尊他為“有機(jī)化學(xué)之父”。但他不只是在農(nóng)業(yè)和有機(jī)化學(xué)方面有點(diǎn)造詣，同時(shí)還是一名教育家，非常善于將自己的思想傳達(dá)出去。

德國(guó)著名的有機(jī)化學(xué)家凱庫(kù)勒（Kekule，1829 年—1896 年）還是學(xué)生的時(shí)候，就聽(tīng)說(shuō)李比希的講座很有趣，去聽(tīng)了一次之后，就迷上了有機(jī)化學(xué)，并投入到李比希的門下。

這時(shí)候，“化合價(jià)”這個(gè)概念也已經(jīng)被提了出來(lái)，凱庫(kù)勒便開(kāi)始用化合價(jià)的概念去解釋有機(jī)物為什么與眾不同。他首先確定，在有機(jī)物中，碳原子總是傾向于形成四價(jià)，最多可以同時(shí)和四個(gè)原子結(jié)合，而且碳原子和碳原子之間也可以互相連接，這就構(gòu)成了有機(jī)化學(xué)最核心的基礎(chǔ)。后來(lái)，“分子”的概念也被科學(xué)界承認(rèn)了，凱庫(kù)勒就更進(jìn)一步，確認(rèn)了很多有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。其中最著名的莫過(guò)于“苯”，至今在教科書上還流傳著他的傳說(shuō)。

苯分子有 6 個(gè)碳原子和 6 個(gè)氫原子，按照當(dāng)時(shí)的分子理論，雖然可以繪制出一些不同的結(jié)構(gòu)，可是這些設(shè)想中，卻沒(méi)有哪一個(gè)結(jié)構(gòu)是合理的。凱庫(kù)勒對(duì)這個(gè)問(wèn)題也是百思不得其解，白天研究，連夜里都沒(méi)閑著。有一天，他做了個(gè)夢(mèng)，夢(mèng)到一條蛇回頭咬住了自己的尾巴，受此啟發(fā)終于想通，苯可能是一種“環(huán)狀結(jié)構(gòu)”。

后來(lái)，又有人設(shè)想出苯環(huán)結(jié)構(gòu)的其他形式，因此凱庫(kù)勒繪制出來(lái)的結(jié)構(gòu)就被稱為“凱庫(kù)勒式”，以示區(qū)分。

苯分子的凱庫(kù)勒式

盡管這個(gè)故事有一些附會(huì)的成分，但是“凱庫(kù)勒式”的出現(xiàn)，的確顛覆了人們對(duì)于有機(jī)物的想象。碳原子的化合價(jià)為四價(jià)，雖然并不是最高的，但是碳原子之間卻幾乎可以無(wú)限連接，而且它們還可以形成環(huán)狀、籠狀、樹枝狀等各種結(jié)構(gòu)，這就讓有機(jī)物的形式變得非常復(fù)雜。

不僅如此，很多有機(jī)物還存在同分異構(gòu)體。就像凱庫(kù)勒研究苯的時(shí)候，最初設(shè)想的那些分子結(jié)構(gòu)，后來(lái)有一些也通過(guò)實(shí)驗(yàn)被發(fā)現(xiàn)了。它們雖然也有 6 個(gè)碳和 6 個(gè)氫，卻和苯分子有著截然不同的特性。這些原子組成化合物的分子式相同，但具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，就被稱為同分異構(gòu)體。這在有機(jī)化學(xué)中極為普遍。

于是，碳原子的連接千變?nèi)f化，含碳的分子也難以計(jì)數(shù)。到現(xiàn)在為止，人類發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)有上億種，其中無(wú)機(jī)物不過(guò)十余萬(wàn)種，有機(jī)物占了絕大多數(shù)。

凱庫(kù)勒揭示了碳原子的結(jié)合規(guī)律，也有助于搞清金剛石與石墨的關(guān)系。

在金剛石中，每一個(gè)碳原子都和另外四個(gè)碳原子相結(jié)合，它們形成了立體結(jié)構(gòu)，所有的電子都參與形成了化學(xué)鍵，每個(gè)碳原子的位置都保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生位移，所以金剛石的硬度非常大。碳原子形成的石墨，是每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子以平面的方式結(jié)合，四價(jià)的碳原子留出了一個(gè)自由的電子，石墨就可以靠著這些電子自由地傳遞電流，不像金剛石那樣是絕緣體。

石墨

與此同時(shí)，有些物質(zhì)雖然不含碳，但是它們居然也會(huì)采取有機(jī)物那樣的方式構(gòu)成分子，比如元素周期表上排在碳元素之前的硼元素，還有排在碳元素下方的硅元素。這些元素在和氫元素結(jié)合的時(shí)候，有時(shí)也會(huì)遵循和碳元素相似的規(guī)律，因此科學(xué)家們對(duì)它們也充滿了興趣。

我們會(huì)對(duì)不同物質(zhì)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)有了越來(lái)越多的分析手段，可以看到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)——就像苯分子，在電子顯微鏡下就可以直接看到它六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

正是多變的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，才讓物質(zhì)世界變得如此豐富多彩。