碳元素

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碳元素（拉丁語為Carbonium，英文carbon，源自carbo）是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期IVA族。意為「煤，木炭」。碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼和生物之中。碳單質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。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。 碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內絕大多數分子都含有碳元素。

這種物質發現得很早，常見的碳的自然形式有金剛石、炭和石墨。

碳的無數化合物是我們日常生活中不可缺少的物質，產品從尼龍和汽油、香水和塑料，一直到鞋油、滴滴涕和炸藥等，範圍廣泛種類繁多。

中文名 碳元素 外文名 carbon 自然形式 金剛石、炭和石墨 用 途 尼龍、汽油、香水 有無放射性 無 元素符號 C

目錄

發現簡史

碳在史前就已被發現，炭黑和煤是人類最早使用碳的形式。鑽石大約在公元前2500年被中國熟知，同時煤作為碳的形式在羅馬時代被使用的化學方式和現代一樣。

從人類在地球上出現以後，就和碳有了接觸，由於閃電使木材燃燒後殘留下來木炭，動物被燒死以後，便會剩下骨碳，人類在學會了怎樣引火以後，碳就成為人類永久的「夥伴」了，所以碳在古代就已經是被人知道的元素。發現碳的精確日期是不可能查清楚的，從拉瓦錫(Lavoisier A L 1743年-1794年法國)1789年編制的《元素表》中可以看出，碳首先是作為元素出現的。碳在古代的燃素理論的發展過程中起了重要的作用，根據這種理論，碳在那時不是以一種元素的形式出現的而是一種純粹的燃素，由於研究煤和其它化學物質的燃燒，拉瓦錫首先指出碳是一種元素。

碳在自然界中存在有多種同素異形體──金剛石、石墨、石墨烯，碳納米管，C60，六方晶系隕石鑽石（藍絲黛爾石）。金剛石和石墨早已被人們所知，拉瓦錫做了燃燒金剛石和石墨的實驗後，確定這兩種物質燃燒都產生了CO2，因而得出結論，即金剛石和石墨中含有相同的「基礎」，稱為碳。正是拉瓦錫首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美國休斯頓賴斯大學的化學家哈里可勞特等人發現的，它是由60個碳原子組成的一種球狀的穩定的碳分子，是金剛石和石墨之後的碳的第三種同素異形體。

單質簡介

碳在地殼中的質量分數為0.027%，在自然界中分布很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白雲石、二氧化碳等。

截止1998年底，在全球最大的化學文摘——美國化學文摘上登記的化合物總數為18.8百萬種，其中絕大多數是碳的化合物。

眾所周知，生命的基本單元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架變化而來的。先是一節碳鏈一節碳鏈地接長，演變成為蛋白質和核酸；然後演化出原始的單細胞，又演化出蟲、魚、鳥、獸、猴子、猩猩、直至人類。這三四十億年的生命交響樂，它的主旋律是碳的化學演變。可以說，沒有碳，就沒有生命。碳，是生命世界的棟樑之材。

純淨的、單質狀態的碳有三種，它們是金剛石、石墨、C60。它們是碳的三種同素異形體。

金剛石

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金剛石俗稱鑽石，除用作裝飾品外，主要用於製造鑽探用的鑽頭和磨削工具，是重要的現代工業原料，價格十分昂貴。

歷史上更容易得到的是煤灰或木炭。最難確認的是鑽石。

來自佛羅倫薩（意大利）的博物學者Giuseppe Averani和醫學工作者Cipriano Targioni首先發現了鑽石是可以被加熱摧毀的。在1694年他們使用一個大型放大鏡聚集陽光到鑽石上，寶石最終消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重複了這個實驗。之後，在1796年，英國化學家Smithson Tennant展示其燃燒後生成的僅僅是CO2而最終證明了鑽石只是碳的一種形式。 金剛石是最為堅固的一種碳結構，其中的碳原子以晶體結構的形式排列，每一個碳原子與另外四個碳原子緊密鍵合，成空間網狀結構，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔沸點高，熔點超過3500℃，相當於某些恆星表面溫度。在金剛石分子中，每一個碳原子都被另外四個碳原子包圍着，這些碳原子以很強的結合力連接在一起，形成了一個巨大的分子，因此金剛石很堅硬。金剛石是絕緣體。用途是作裝飾品，鑽頭材料等。

石墨

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石墨烏黑柔軟，是世界上最軟的礦石，是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細鱗片狀固體。石墨屬於混合型晶體，既有原子晶體的性質又有分子晶體的性質。質軟，有滑膩感，具有優良的導電性能。熔沸點高。石墨分子中每一個碳原子只與其他三個碳原子以較強的力結合，形成了一種層狀的結構，而層與層之間的結合力較小，所以石墨被大量用來製作電極、高溫熱電偶、坩堝、電刷、潤滑劑和鉛筆芯。

性質不同

金剛石和石墨都是碳，為什麼性質截然不同呢？這是因為它們的晶體結構不同。在金剛石中，碳原子排列非常規則，在每一個碳原子周圍有四個等距離的碳原子，構成一個正四面體，所以金剛石比重大，堅硬。而石墨的晶體結構則是層狀，層與層之間距離較大，容易滑動，所以石墨比重比金剛石小，而且軟、滑。金剛石與石墨，叫「同素異形體」。既有同一元素構成的兩種性質不同的物體。

自然界中的循環

在地麵條件下，一種元素從一處到另一處是很罕見的。因此，地球上的碳含量是一個有效常數。碳在自然界中的流動構成了碳循環。例如，植物從環境中吸收二氧化碳用來儲存生物質能，如碳呼吸和卡爾文循環（一種碳固定的過程）。一些生物質能通過捕食而轉移，而一些碳以二氧化碳的形式被動物呼出。碳循環的結構要比右圖的模式圖複雜得多。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，而細菌不能利用得到。

視頻

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