碳

安托万·拉瓦锡年轻时的碳这个词源自拉丁语carbo，意思是木炭，而法语单词charbon则是木炭的意思。另一方面，在德语中，它被称为 Kohlenstoff，意思是煤是发现的最古老的元素之一，人类最早的文明以烟灰或木炭的形式被人们所知。据信，公元前 2500 年左右，我们中国人首先认识了钻石形式的碳。

卡尔·威廉·席勒 (Karl Wilhelm Schiele) 1722 年，雷内·安托万·费尔舒·德·雷穆尔 (Rene Antoine Ferchoux de Reaumur) 证明，通过吸收当时不知道是碳的物质，可以将铁转变成钢。1772 年，安托万·拉瓦锡 (Antoine Lavoisier) 证明，钻石是钻石的一种形式。碳。他燃烧了木炭和钻石样品，结果表明它们不会产生任何水，而且这两种材料每克释放的二氧化碳量相同。 1779 年，卡尔·威廉·席勒 (Karl Wilhelm Schiele) 证明石墨（被认为是铅的一种形式）只是碳的一种形式，并且与木炭类似。 1786 年，除了范德蒙之外，科学家克劳德-路易斯·贝托莱 (Claude-Louis Bertolet) 和加斯帕德·蒙日 (Gaspard Monge) 通过在氧气介质中氧化石墨，证实石墨的大部分是碳，其方式类似于拉瓦锡 (Lavoisier) 对钻石的氧化。通过发表该实验，他们提出了构成石墨的元素的名称“碳”（拉丁文名称carbonum），拉瓦锡后来在他于 1789 年发表的一篇文章中将其纳入化学元素之中。在 20 世纪，一种新的碳同素异形体被命名为“碳”。 1985 年随着富勒烯的发现而增加，富勒烯有多种形式，包括巴克敏斯特富勒烯和碳纳米管等纳米结构。发现者罗伯特·科尔 (Robert Curl)、哈罗德·克罗托 (Harold Kroto) 和理查德·斯莫利 (Richard Smalley) 因这一发现荣获 1996 年诺贝尔化学奖。近年来研究的发展导致了新形式碳的出现，例如玻璃碳，并发现无定形碳并非完全无定形。

就宇宙中化学元素的丰度而言，碳排名第四，仅次于氢、氦和氧。碳元素参与了太阳、恒星和彗星的组成，以及大多数行星大气层的组成。一些陨石含有微量的钻石，这些钻石是在太阳系仍处于行星盘阶段时形成的。这些微金刚石也是由于流星撞击地点的巨大压力和高温而形成的。科学家认为，宇宙中大约 20% 的碳以多环芳烃 (PAH) 的形式存在，因为这些化合物是多环芳烃 (PAH)。据信在宇宙创生过程中的自发生成过程中发挥了作用，它是在大爆炸发生数十亿年后形成的，然后传播到整个宇宙，并在恒星和行星的诞生中发挥了作用太阳系之外。

恒星中碳原子核心的形成需要巨星或超巨星核心内以及水平分支恒星核心内的α粒子同时发生三次碰撞，这一过程称为元素合成（或三重阿尔法过程）。因此，碳并不是在大爆炸期间形成的，而是由于超新星爆炸而以灰烬的形式散布在宇宙中，作为形成第二代和第三代恒星群（包含由其形成的行星）的物质的一部分。这样的灰。太阳系是第三代系统之一，除了三重阿尔法过程之外，碳-氮-氧循环（CNO循环）的机制是核聚变的机制之一，它在恒星中产生能量。其中的碳起到催化剂的作用，使反应继续进行。不同同位素形式的一氧化碳（例如 CO、CO 和 CO）的旋转跃迁可以在亚毫米波长下测量，这可用于研究分子云中新形成的恒星。

石墨材料碳是地球生物圈生命延续的必需元素。据估计，地球岩石圈地核中含有百万分之 2000 的碳，外逸层和地壳中含有约 120 ppm 的碳。这意味着地球岩石圈中约有 43.6 亿吨碳，其中包括以碳氢化合物形式存在的碳，碳氢化合物是煤、石油和天然气的化学基础。煤炭储量估计约为 900 吉吨，石油储量约为 150 吉吨。还有一些非常规来源，例如板岩气，其全球储量估计约为 540 十亿吨碳。除了前面提到的以外，碳还以碳酸盐岩的形式大量存在，例如石灰石、白云石、大理石等。在地球大气中，碳与氧以气态二氧化碳的形式存在（约 810 十亿吨）。碳），并溶解在海水中（约 36,000 十亿吨碳）。在深海和极地地区也以甲烷水合物的形式被发现，其中的碳含量估计为 500 至 2,500 吉吨，最高可达 3,000 吉吨。石墨是最常见的碳同素异形体，在印度、墨西哥、格陵兰岛、俄罗斯和美国大量发现。非洲蕴藏着丰富的钻石，特别是在南非、纳米比亚、博茨瓦纳、刚果共和国和塞拉利昂等国家。

世界多个地区都有重要的石墨天然矿藏，但从经济角度来看，最重要的是在中国、印度、巴西和朝鲜发现的矿石。石墨矿床是变质成因的，除了变质砂岩和石灰岩之外，还与片岩和片麻岩中的石英、云母和长石矿物伴生，呈透镜状或脉状，厚度有时可达一米或以上。大量、纯净的石墨很容易开采出来，而少量的石墨矿床是通过破碎含有矿床的母岩，然后对石墨进行浮选过程而获得的，其特点是重量轻，可以浮到地下。天然石墨有三种类型，要么是无定形的，要么是晶壳状的，要么是簇状块状或脉状的。非晶石墨无论是价格还是质量都是最低的，广泛分布于中国、欧洲大部分地区、墨西哥和美国。至于结晶鳞片石墨，则较少见，但其质量比非晶石墨高，因此其价格约为非晶石墨价格的四倍。片状石墨产于奥地利、德国、巴西、加拿大和马达加斯加。另一方面，最好的石墨类型是簇状块状或脉状石墨，并且在斯里兰卡可以买到。根据美国地质调查局的数据，2010 年全球天然石墨产量为约110万吨，中国约占80万吨，而印度为13万吨，巴西为7.6万吨，朝鲜为3万吨，加拿大为2.5万吨。

钻石原晶体：从原材料中开采钻石是基于使用实际原材料的一小部分，因为原材料的粉碎方式是为了不破坏大钻石，因此颗粒最终被分离并根据到密度。目前，钻石在材料富集部分的位置是使用 X 射线荧光技术确定的，然后手动完成最终的分离步骤。在过去以及使用之前基于此，从公元前九世纪左右发现钻石起，一直到十九世纪中叶，印度都是钻石生产的主要国家之一。此后产量下降，出现了其他生产国，例如巴西于 1725 年成为除印度以外的第一个钻石生产国。1725 年首次开始用金伯利岩和钾镁矿等基本矿物生产钻石。 1870 年代，南非发现钻石矿之后。随着时间的推移，产量不断增加，据估计，自那时以来，累计开采量约为 45 亿克拉。其中约 20% 的开采量是在 2002 年至 2007 年的五年间开采的，而在 1997 年至 2007 年期间，加拿大、津巴布韦、安哥拉和俄罗斯的 9 个新矿开始生产钻石。钻石是在美国开采的。相比之下，美国的阿肯色州、科罗拉多州和蒙大拿州，经济上最重要的钻石矿床位于俄罗斯、澳大利亚、博茨瓦纳和刚果民主共和国。

碳有两种稳定的、天然存在的同位素：碳-12C和碳-13C，碳12占地球上碳自然丰度的98.93%，而碳13则占剩余的1.07%。生物材料中 C 的浓度增加是因为生化反应有利于碳 12 而牺牲了碳 13。 1961年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）采用同位素碳12作为原子质量的基础，因此原子质量单位相当于同位素C质量的1/12。 C 用于核磁共振 (NMR) 实验，以确定有机化合物中碳原子的相关性。碳有一种天然存在的放射性同位素，碳-14 C，在有机物表面存在微量。地球大气中或表面沉积物中的浓度高达万亿分之一 (10^12)，相当于 (0.0000000001%)，特别是在泥炭和其他有机物质中。这种放射性同位素的半衰期为5730年，以β方式衰变，能量为0.158 MeV。由于碳14放射性衰变的寿命相对较短，因此推测它不会在深龄岩石中发现，但另一方面它是在大气上层（平流层以下和平流层以上）中形成的。对流层），这是由于氮和宇宙射线之间的相互影响（相互作用）。大气和活生物体中碳14的百分比几乎恒定，但在它们死亡并埋入土壤后会减少。在这种情况下，了解碳 14 百分比的差异有助于利用放射性碳测年技术估计年龄约为 4 万年的碳质体的年龄。已知的碳同位素有 15 种，其中最短的是 。碳-8，从质子释放和α衰变过程中衰变，其半衰期为1.98739 x 10秒。外来同位素碳 19C 具有晕型核。

碳的理论相图 碳的升华点是化学元素中最高的，约为3900 K。碳在常压下没有熔点，其三相点位于压力为 10.8 ± 0.2 MPa 和温度为 4600 ± 300 K (~4330 °C) 的情况下。碳在碳弧灯中升华，温度达到约 5,800 K (5,530 °C)。因此，无论同素异形体的形式如何，碳在高于钨或铼等金属熔点的温度下仍保持固态。碳具有相反的磁性，并且石墨中的磁化率值根据真空平面而变化。因此它是各向异性的，因为平行平面上的值为 χ m {displaystyle chi _{m}}一些碳同素异形体： a) 金刚石； b）石墨； c) 朗斯代尔石； d–f) 富勒烯； g)无定形碳； h) 碳纳米管是指一种元素在自然界中存在的多种形式，这些形式在晶体结构或原子的内部排列上彼此不同。碳通常不以原子形式存在，不稳定，通过与具有各种几何排列的多原子结构中的其他碳原子键合而稳定。除了无定形碳之外，最著名的碳同素异形体是金刚石和石墨。富勒烯是新发现的碳同素异形体之一，它们第一次出现时很奇怪，但现在经常用于科学研究。富勒烯包括巴克敏斯特富勒烯（也称为巴基球）、碳纳米管和其他最近发现的奇异结构，例如纳米芽和纳米纤维。其他新的碳同素异形体包括菱铁矿、玻璃碳、碳纳米泡沫、卡宾（线性乙炔碳）和石墨烯。

在正常的压力值条件下，碳以石墨的形式存在，其中每个碳原子与同一真空平面内的其他三个碳原子三键连接，因此最终我们得到紧凑的六边环，几何形状也是如此存在于芳香烃化合物中。由此产生的结构是二维的，平面板彼此堆叠并通过范德华力结合在一起。这种结合形式赋予石墨柔软柔软的特性，此外还使晶体彼此分离，使其易于碎裂。石墨层在同一水平上具有良好的导电性，这是由于晶格中每个碳原子的外层电子之一具有离域（或离域）的性质，导致离域电子形成π云，从而相对于石墨有利于导电性能。石墨是各向异性的，因为它在相同的原子键水平上具有不同的电学和热学性质，相反，这些性质从晶面到相邻晶面是不同的。

碳在非常高的压力下形成钻石形状，并且比石墨的平面片更致密，其密度约为石墨的两倍。金刚石中的碳以四面体的形式与其他四个碳原子结合，最终我们在空间中得到了碳原子六面环的分支三维网络。与硅和锗一样，钻石中的碳具有立方晶体结构，并且由于这种结构中的碳原子之间存在牢固的化学键，因此根据莫氏硬度，钻石是最硬的天然材料。根据热力学计算，石墨是比金刚石更稳定的形式，因为如果将温度升高到 1500 °C 以上，超过高活化能垒，金刚石就会变成石墨。

碳的无定形形式是不规则排列的原子形式，不存在于特定的晶体系统中。它呈粉末形式，是木炭、炭黑（烟灰）等材料的主要成分。和活性炭。通过人工制造无定形碳，可以找到一定比例的碳原子间键合的内部规律性，例如有一种材料四晶碳，其中70%的晶体组织是四聚体的形式。 ，用(ta-C)表示，具有独特的性能，是一种硬度非常高、透明度高的材料，是良好的电绝缘体。

C60 富勒烯晶体具有与石墨相似的六方环三键结构，不同之处在于它们含有五边形，从而形成球形、椭圆形或圆柱形的板的曲率。富勒烯按形状分为巴基球、管状和碳纳米芽，纳米材料领域的科学研究仍在继续，以更多地了解其特性。这些同素异形体被称为富勒烯，以工程师理查德·巴克明斯特·富勒 (Richard Buckminster Fuller) 的名字命名，他开发了测地圆顶的设计，其形状类似于富勒烯。巴基球是完全由碳制成的球形表面形式的巨大分子，其中最著名的是巴克明斯特富勒烯，其分子式为C60，呈球状。

碳纳米管在结构上与巴基球相似，不同之处在于碳纳米管中的每个碳原子以三角形、弯曲的形状连接，从而形成圆柱状空腔。 2007年首次发现的纳米芽是管和球的混合形式，其中巴基球附着在碳纳米管的外壁上，从而将两者的特性结合在一个结构中。

碳纳米泡沫是碳的同素异形体之一，于1997年被发现，其特点是具有铁磁性。这种泡沫的结构由以六角环和七角环的三重形式连接在一起的碳原子组成，它的密度约为 2 kg/m2，因此被认为是最轻的材料之一。

玻璃碳与石墨一样具有很高的孔隙率，但相比之下，玻璃碳中的板的排列不是规则的，而是随机的。

石墨烯是一种相对较新的碳同素异形体，具有石墨中的六方晶体结构，可形成二维网络。研究发现石墨烯具有独特的强度和硬度特性。科学研究仍在继续，以开发能够在经济层面上实现这种材料的工业应用的技术。

碳化学性质稳定，在正常压力和温度条件下能抵抗硫酸、盐酸等稀酸的作用以及氧化剂和碱的作用。与氧反应需要高温，碳与硫反应形成二硫化碳具有良好的还原性，因为它可以在高温下还原金属氧化物，就像将氧化铁还原为铁一样。这种散热反应用于钢铁生产。

有机金属化合物，顾名思义，是指有机化合物中含有至少一个碳原子与金属键的化合物。这些化合物可以是简单的，例如四乙基铅，或者是配位络合物的形式，例如茂金属和金属羰基化合物。

地球表面存在的碳量是固定量，因为在自然陆地条件下，将一种化学元素转化为另一种化学元素的过程很少发生。因此，消耗碳的过程从一个来源获取该元素，然后将其释放到另一个来源，这称为碳循环。例如，植物从周围大气中以二氧化碳的形式提取碳，并以生物质的形式固定碳。在后期，动物以这些生物质为食，因此一些碳在较短的碳循环中以呼出空气中二氧化碳的形式再次排泄到大气中，而其他碳则从体内排出，可能与剩余的残留物混合生物质并在长碳循环中转化为煤炭或石油。

自动铅笔中使用的书写材料由石墨制成，通常与绿色植物或合成粘合剂混合。碳的用途多种多样，具体取决于石墨、金刚石或其他同素异形体的可用形式。从生物学和实践的角度来看，有机碳化合物是日常生活中最常见的化合物，而碳化物等无机碳化合物则与石墨一起用于书写和绘画的铅笔芯的成分中。也用作润滑剂、颜料和玻璃工业。石墨的另一个重要应用是其用于干电池电极的安装，它在电镀和电动机安装领域也有许多电气应用。石墨的另一个应用是用作核反应堆中的中子慢化剂。一块编织的碳纤维布除了用来准备烧烤食物外，还用作一些艺术作品的绘画材料。至于钻石，除了在工程设备中安装切割材料时使用工业钻石外，还用作装饰材料，例如珠宝。碳纤维用于增强塑料，例如碳纤维增强聚合物，或用于制造比钢具有更好质量性能的复合材料。炭黑在印刷油墨和油或水的组合物中用作黑色颜料。印度油用作激光打印机墨盒的打印材料，也用作塑料产品和轮胎工业中使用的合成橡胶的填料和着色材料。活性炭在安装用于多种应用的过滤器时用作吸附材料，例如防毒面具和水净化。活性炭还用于医疗领域，以吸收消化系统中的毒素、毒素或气体。煤炭用作燃料，也是化学工业中的重要物质，在金属采矿中用作还原剂。例如，焦炭是高炉开采和获得碳钢的基本成分之一。

纯碳对人体没有任何负面影响，因为它的毒性作用非常低，可以认为是安全的，例如，在消化不良的情况下可以服用木炭或石墨片进行治疗。黑色 大量的烟灰形式可能是危险的，因为它会刺激环组织并导致煤炭工人患上硅肺病。同样，工业工具产生的金刚石粉尘如果吞咽或吸入也会造成伤害。此外，汽车尾气和柴油动力机械产生的碳微粒会积聚在肺部，导致各种肺部疾病，对于其他生物体来说，碳具有同样的低毒性，但对于某些生物体来说，它可能是有毒的。例如，人们发现碳纳米颗粒对于果蝇来说是致命的。在高温下，碳可以在空气中的氧气存在下点燃并发光。由于缺乏氧气，大量堆积的煤炭多年来一直保持惰性，当突然暴露在空气中时，就会自燃，就像煤矿废料堆中发生的情况一样。