碳

碳（Carbon）是一種非金屬元素，化學(xué)符號為C，在常溫下具有穩(wěn)定性，不易反應(yīng)、極低的對人體的毒性，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地攝取，位于元素周期表的第二周期IVA族。

碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼和生物之中。拉丁語為Carbonium，意為“煤，木炭”。碳元素結(jié)構(gòu)多樣，能夠以具有多方面性質(zhì)的單質(zhì)形式存在，如晶形碳、無定形碳和過渡碳。

碳單質(zhì)很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。碳還有多種同素異形體，如金剛石、石墨、石墨烯、富勒烯等，這些同素異形體廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、石油化工、國防等領(lǐng)域。 碳能在化學(xué)上互相結(jié)合而形成大量化合物，在生物上和商業(yè)上是重要的分子。生物體內(nèi)絕大多數(shù)分子都含有碳元素。

發(fā)現(xiàn)歷史

碳的英文名稱carbon來源于拉丁文中煤和木炭的名稱carbo，也來源于法語中的charbon，意思是木炭。在德國、荷蘭和丹麥，碳的名字分別是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物質(zhì)。1

碳在史前就已被發(fā)現(xiàn)，炭黑和煤是人類最早使用碳的形式。大約公元前2500年中國就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鉆石2，在羅馬時代人們常使用碳的另一種形式—煤。3在1722年，法國人René Antoine Ferchault de Réaumur證明鐵通過吸收一些物質(zhì)能變成鋼，這種物質(zhì)就是碳。4在1772年，法國人安東尼·拉瓦錫當他將一些鉆石和煤的樣品燃燒時，發(fā)現(xiàn)他們都不生成水，并且每克的鉆石和煤所產(chǎn)生的二氧化碳的量是相等的，表明鉆石是碳的一種存在形式。在1779年，瑞典人卡爾·威廉·舍勒表明一度被認為是鉛的石墨實質(zhì)上是混雜了少量鐵的碳混合物5，并且他將硝酸與石墨反應(yīng)的產(chǎn)物命名為“空氣中的酸”（"aerial acid"），即二氧化碳。6在1786年，法國化學(xué)家Claude Louis Berthollet，GaspardMonge和C. A. Vandermonde通過拉瓦錫處理鉆石的方法將石墨氧化，證明了石墨幾乎全部由碳組成。71789年，拉瓦錫在他的教科書中將碳列在元素表中。6

存在分布

礦藏形式

碳既以游離元素存在（金剛石、石墨等），又以化合物形式存在（主要為鈣、鎂以及其他電正性元素的碳酸鹽）。它的氧化物二氧化碳是大氣中少量但極其重要的組分。預(yù)計碳在地殼巖石中的總豐度變化范圍相當大，但典型的數(shù)值可取180ppm；按豐度順序，這個元素位于第17位，在鋇、鍶、硫之后，鋯、釩、氯、鉻之前。89石墨遍布全球，然而大多數(shù)幾乎沒有價值。大量的晶體或薄片存在于變性的沉積硅酸鹽巖石中，如石英、云母、片巖和片麻巖；晶體大小從不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉積微扁豆狀礦體，可達30m厚，橫越田野，綿延數(shù)公里。平均含碳量達25%，但高的可達60%（馬爾加什）。選礦是利用氫氟酸和鹽酸處理后進行浮選，再在真空中加熱到1500℃。微晶石墨（有時稱為“無定形體”）存在于富碳的變性沉淀中，某些墨西哥的沉積物含有高達95%的碳。8

金剛石出自古代火山的筒狀火成礫巖（火山筒），它嵌在一種比較柔軟的、暗色的堿性巖石中，稱為“藍土”或“含鉆石的火成巖”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次發(fā)現(xiàn)這樣的火山筒。10隨著地質(zhì)年代的變遷，火山筒逐漸風(fēng)化腐蝕，在沖刷砂礫中和海灘上也能找到金剛石。8

焦炭、炭黑和活性炭這三種其他形式的碳被大規(guī)模制造并廣泛運用于工業(yè)。8

自然界中的循環(huán)

碳在自然界中的流動構(gòu)成了碳循環(huán)。例如，植物通過碳呼吸和卡爾文循環(huán)（一種碳固定的過程）等方式從環(huán)境中吸收二氧化碳用來儲存生物質(zhì)能，生物質(zhì)能通過捕食而轉(zhuǎn)移，同時碳也可以以二氧化碳的形式被動物呼出，如下圖所示。碳循環(huán)的實際結(jié)構(gòu)要比下圖的模式圖復(fù)雜得多，例如，一些二氧化碳會溶解在海洋中，死去的植物或動物的遺骸可能會形成煤、石油和天然氣，這些可以通過燃燒釋放碳，而細菌則無法利用。11

恒星中的形成

碳原子核的形成需要α粒子（氦核）在巨核或超巨星中發(fā)生幾乎同時的三重碰撞，這個過程稱為三氦過程。這種核融合反應(yīng)可以在超過一億度K的高溫和氦含量豐富的恒星內(nèi)部迅速的發(fā)生。同樣的，他發(fā)生在較老年，經(jīng)由質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經(jīng)燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達到氦燃燒的燃點。反應(yīng)的過程是：

4He+4He→8Be （?93.7 keV）

8Be+4He→12C （+7.367 MeV）

反應(yīng)過程的凈能量釋放為1.166pJ。

另一個為恒星供能的融合機制是CNO循環(huán)（碳-氮-氧循環(huán)，有時也稱為貝斯-魏茨澤克-循環(huán)，是恒星將氫轉(zhuǎn)換成氦的兩種過程之一，另一種過程是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)），其中碳作為催化劑使得反應(yīng)能夠進行。

同位素

現(xiàn)代已知的同位素共有十五種，有碳8至碳22，其中碳12和碳13屬于穩(wěn)定型，其余的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達5730年，其他的為不穩(wěn)定同位素。 在自然界里，碳12在碳總量中占比高達98.93%，碳13則只有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權(quán)的平均值，一般計算時取12.01。碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數(shù)為1摩爾。由于碳14具有較長的半衰期，人們可通過測定一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。9

|| || 不同碳同位素的性質(zhì)

同素異形體

碳的同素異形體主要分為晶形碳、無定形碳、過渡碳等3大類，不同形態(tài)的碳單質(zhì)物理性質(zhì)不相同。12

晶形碳

晶形碳主要有石墨、金剛石、富勒烯、石墨烯、碳納米管等。其中金剛石具有典型的共價晶體特性，即高的硬度、高的熔點和低的等電性和低的導(dǎo)熱性；石墨烯具有良好的機械性能、導(dǎo)電性能以及導(dǎo)熱性能13。14

無定形碳

無定形碳包括木炭、活性炭、碳纖維等。其中活性炭是一種具有特殊微晶結(jié)構(gòu)、發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)、巨大比表面積和較強吸附能力的同素異形體。其化學(xué)穩(wěn)定性好，具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點，活性炭不溶于水和有機溶劑，既可在氣相中使用，也可以在液相中使用?？梢酝ㄟ^對活性炭進行酸堿處理改變活性炭的性質(zhì)，得到的活性炭又稱改性活性炭15。碳纖維是一種含碳量在95%以上的碳的同素異形體，既有碳材料的質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、高強度、高模量等固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性16。

過渡碳

過渡碳為無定形碳過渡到晶形碳的過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，兼具了無定形碳和晶形碳的一些特點，表現(xiàn)出亂層石墨結(jié)構(gòu)的特征，在微觀上呈現(xiàn)出二維有序而三維無序的特點17。

過渡碳主要是熱解炭黑。其中熱解炭黑根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的不同可大致分為各向異性和各向同性兩大類：各向同性熱解炭結(jié)構(gòu)均勻致密，抗氧化性能好；各向異性熱解炭結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小、性能結(jié)構(gòu)均一，與傳統(tǒng)炭質(zhì)材料相比，在強度、耐磨、潤滑、密封等方面的性能表現(xiàn)更加優(yōu)良17。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)

碳的雜化軌道理論碳原子的基態(tài)電子構(gòu)型為1s22s22p2，根據(jù)該構(gòu)型，碳的價態(tài)應(yīng)該表現(xiàn)為2價，但在大量有機分子中碳的價態(tài)是4價，這是因為在外界干擾下，若干能量相近的原子軌道可以組合成同樣數(shù)目的、能量完全相同的新的原子軌道，這種新的軌道就稱為雜化軌道。這就解釋了多原子分子的空間構(gòu)型和用普通價鍵理論所不能解釋的某些共價分子的形成方式。并且，碳原子除了 sp，sp2，sp3等多種軌道雜化形式以外，還可以形成某些中間過渡狀態(tài)的雜化態(tài)，從而使碳有不同的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)存在18。

化學(xué)性質(zhì)

單質(zhì)

|| || 碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)

化合物

碳的化合物中，只有以下化合物屬于無機物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫?qū)倩衔?、二硫化?CS2)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰及一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，其它含碳化合物都是有機化合物。

由于碳原子形成的鍵都比較穩(wěn)定，有機化合物中碳的個數(shù)、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機物數(shù)量極其繁多這一現(xiàn)象，現(xiàn)代人類發(fā)現(xiàn)的化合物中有機物占絕大多數(shù)。有機物的性質(zhì)與無機物大不相同，它們一般可燃、不易溶于水，反應(yīng)機理復(fù)雜，已形成一門獨立的分科——有機化學(xué)。

毒理性質(zhì)

純碳對人體的毒性極低，石墨或活性炭甚至可以被人體攝取。碳一般不溶且不易被化學(xué)侵蝕，即使面對的是消化道內(nèi)的酸性物質(zhì)，因此它一旦進入人體組織后可能會無期限存留。炭黑可能是最早用來紋身的顏料之一，如冰人奧茲被發(fā)現(xiàn)有炭黑紋身，這些紋身從他存活開始一直到他死后5200年后都一直存在。19然而，吸入大量煤炭（或炭黑）粉塵或煙塵是危險的，它們會刺激肺組織，并引起充血性肺病煤工塵肺。相似的，金剛石磨粉被誤食或吸入也會有危險。

碳對地球上幾乎所有生物來說都是低毒的，然而對某些生物是有毒的，例如碳納米顆粒對果蠅是致命的。