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、一氧化碳之類的簡單含碳化合物會被認(rèn)為是無機(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，看起來平平無奇，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，來自拉瓦錫完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：燒一顆鉆石，看看那樣會產(chǎn)生什么。

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

拉瓦錫把鉆石置于高溫之中，發(fā)現(xiàn)鉆石開始燃燒，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，蓋 - 呂薩克的實(shí)驗(yàn)室里來了一位叫尤斯蒂斯·馮·李比希（Justus von Liebig，1803 年—1873 年）的年輕學(xué)者。此時，蓋 - 呂薩克和道爾頓的論戰(zhàn)還沒有結(jié)束，“分子”的概念也還坐著冷板凳，沒什么人在意。

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)沒能迎來夏天，因?yàn)殛柟獗豢諝庵械幕鹕交椅樟?。不僅如此，當(dāng)云層轉(zhuǎn)變?yōu)橛晁畷r，火山灰中的很多物質(zhì)也會溶解在雨水中，特別是二氧化硫這樣的物質(zhì)會轉(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)十萬人的死亡和這場災(zāi)難相關(guān)，部分國家因此陷入動亂。

少年時期的李比希目睹了這場人間慘劇，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。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柗謩e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，會吸收空氣中的二氧化碳和水，然后轉(zhuǎn)化為葡萄糖，植物會以葡萄糖為原料，加工出它需要的各種物質(zhì)。

光合作用解釋了更早時候的“柳樹實(shí)驗(yàn)”。17 世紀(jì)時，比利時（當(dāng)時還叫尼德蘭）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，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)于兩個雞蛋而已。盡管當(dāng)時還沒有人能夠證實(shí)“質(zhì)量守恒定律”，但是海爾蒙特還是合理地推測，柳樹生長時所需要的各種成分，主要來自于空氣，普利斯特里最終解釋了這個原理。

既然光合作用說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什么用了呢？

李比希通過實(shí)驗(yàn)證明，土壤中的碳元素雖然不多，可它對于植物而言，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，不含談的物質(zhì)便是無機(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，同時還是一名教育家，非常善于將自己的思想傳達(dá)出去。

德國著名的有機(jī)化學(xué)家凱庫勒（Kekule，1829 年—1896 年）還是學(xué)生的時候，就聽說李比希的講座很有趣，去聽了一次之后，就迷上了有機(jī)化學(xué)，并投入到李比希的門下。

這時候，“化合價”這個概念也已經(jīng)被提了出來，凱庫勒便開始用化合價的概念去解釋有機(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，最多可以同時和四個原子結(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，“分子”的概念也被科學(xué)界承認(rèn)了，凱庫勒就更進(jìn)一步，確認(rèn)了很多有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。其中最著名的莫過于“苯”，至今在教科書上還流傳著他的傳說。

苯分子有 6 個碳原子和 6 個氫原子，按照當(dāng)時的分子理論，雖然可以繪制出一些不同的結(jié)構(gòu)，可是這些設(shè)想中，卻沒有哪一個結(jié)構(gòu)是合理的。凱庫勒對這個問題也是百思不得其解，白天研究，連夜里都沒閑著。有一天，他做了個夢，夢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，又有人設(shè)想出苯環(huán)結(jié)構(gòu)的其他形式，因此凱庫勒繪制出來的結(jié)構(gòu)就被稱為“凱庫勒式”，以示區(qū)分。

苯分子的凱庫勒式

盡管這個故事有一些附會的成分，但是“凱庫勒式”的出現(xiàn)，的確顛覆了人們對于有機(jī)物的想象。碳原子的化合價為四價，雖然并不是最高的，但是碳原子之間卻幾乎可以無限連接，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。就像凱庫勒研究苯的時候，最初設(shè)想的那些分子結(jié)構(gòu)，后來有一些也通過實(shí)驗(yàn)被發(fā)現(xiàn)了。它們雖然也有 6 個碳和 6 個氫，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，其中無機(jī)物不過十余萬種，有機(jī)物占了絕大多數(shù)。

凱庫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，每一個碳原子都和另外四個碳原子相結(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，每個碳原子的位置都保持穩(wěn)定，不會發(fā)生位移，所以金剛石的硬度非常大。碳原子形成的石墨，是每個碳原子與另外三個碳原子以平面的方式結(jié)合，四價的碳原子留出了一個自由的電子，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，有些物質(zhì)雖然不含碳，但是它們居然也會采取有機(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)合的時候，有時也會遵循和碳元素相似的規(guī)律，因此科學(xué)家們對它們也充滿了興趣。

我們會對不同物質(zhì)的認(rèn)識越來越深，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)有了越來越多的分析手段，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。