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碳元素,大自然的“建筑师”
发布时间: 2020-10-12 09:24:48 文章出处: 科普中国 浏览次数: 850 文字大小:【   打印文章

    “大自然是由碳建起来的?”


    “骗人的吧,除了煤炭等少数物质以外,哪里能够看得到碳的影子呀?”


    “真的没骗你,大自然的建筑师,就是碳!”


    让我们一起从化学的角度来认识碳元素吧。


    首先,你知道这个世界上形成物质种类最多的元素是哪种,氧?硅?都不是,地壳中含量排名最靠前的五种元素——氧、硅、铝、铁、钙,虽然含量很多,但它们形成的物质种类并不多,大多数以无机化合物形式存在。


    据统计,世界上的无机物大约有10多万种。与无机物相比,有机物的种类就多了,大约有3000万种。大自然中的各种动植物、微生物、石油、天然气就是由有机物组成的;我们身体的各个器官、每天所需的三大类营养物质、战胜疾病的大多数药物都是有机物;我们身边的一些材料,如各种塑料、涂料、有机玻璃也是有机物。可想而知,有机物家族该有多么庞大,不论哪种有机物的骨架都离不开一种元素——碳。所以,世界上形成物质种类最多的元素,当然就非碳元素莫属了,进而说大自然是由碳元素构成的,也就一点儿都不为过了。


    其次,碳原子彼此间的链接方式也是最丰富多彩的。如果仅从单个碳原子来看,并没有什么特别之处,甚至都算不上优秀,既不特别活泼(容易发生反应),也不特别懒惰(完全不反应),在众多的化学元素中,它是一个既难得电子也是难失电子的元素。但偏偏就是这样的原子结构和得失电子特性,使碳原子具备了别的元素无法比拟的链接方式——共用电子对。


    什么是共用电子对,具体而言,就是你拿一个电子,我拿一个电子,我们一起共用这两个(一对)电子,于是基于彼此的需要而形成了牢不可破的连接形式。打个比方,就是两个合作伙伴儿,彼此诚心相待,真诚地提供自己的所有,互惠共赢,各取所需,于是建立起牢不可破的友谊链接。可见,碳元素身上不轻易割舍的优秀品质,是能成为合作伙伴的不二选择。


    你可能会说,其他元素也能形成共用电子对。但是只有碳元素的共用电子对,最为奇特,形式也最为多样。其他元素可能只能与跟它们投缘的元素形成简单的新物质,而碳元素却不仅可以与其他元素结合,还能充分接纳自己,与自己变着花样进行连接并复制粘贴无限延长:它们可以一只手拉一只手形成碳碳单键,也可以在单键的碳链中出现一两个同时拉起两只手的碳碳双键,或着同时拉起三只手的碳碳三键,还可以围成圈形成大小不一的碳环,或者抱成团形成不同的苯环,然后彼此交错重叠螺旋缠绕,翻出各种难以想象的花样。可以说,通过碳链的不同组合,搭建起有机物这个庞大又丰富多彩的家族。


    人们通过对有机物这个大家族的认识,逐步了解了它们的特性,现在已经可以研制出各种有机药物、创造出各种新型材料了,未来有机物家族的成员还在不断壮大,这些都要归功于坚贞的碳元素。


    (作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)


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