碳是什么意思

碳

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内绝大多数分子都含有碳元素。

发现历史

碳的英文名称carbon来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo，也来源于法语中的charbon，意思是木炭。[1]  在德国、荷兰和丹麦，碳的名字分别是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物质。碳在史前就已被发现，炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知[2]  ，同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样：通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。[3]  在1722年，René Antoine Ferchault de Réaumur证明铁通过吸收一些物质能变成钢，这种物质就是现在熟知的碳。[4]  在1772年，安东尼·拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式，当他将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。在1779年，卡尔·威廉·舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物[5]  ，并且他给了当用硝酸氧化时，产物的名字空气中的酸（"aerial acid"），即二氧化碳。[6]  在1786年，法国化学家Claude Louis Berthollet，Gaspard Monge 和 C. A. Vandermonde通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。[7]  1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。[6] 

矿藏形式

碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大，但典型的数值可取180ppm；按丰度顺序，这个元素位于第17位，在钡、锶、硫之后，锆、钒、氯、铬之前。[8]  [9]  石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩；晶体大小从不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%（马尔加什）。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨（有时称为“无定形体”）存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。[8] 金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩（火山筒），它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。[10]  随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。[8] 三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业：它们是焦炭、炭黑和活性炭。

同素异形体

金刚石 碳一些碳的同素异形体以无烟煤（一种煤炭类型），石墨和钻石的形式天然的存在，历史上更容易得到的是煤灰或木炭。最终这些不同的材料被认为是由相同的元素形成的。不惊奇的是，钻石是最难确认的。来自佛罗伦萨（意大利）的博物学者Giuseppe Averani和医学工作者Cipriano Targioni首先发现了钻石是可以被加热摧毁的。在1694年他们使用一个大型放大镜聚集阳光到钻石上，宝石最终消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重复了这个实验。之后，在1796年，英国化学家Smithson Tennant展示其燃烧后生成的仅仅是CO2而最终证明了钻石只是碳的一种形式。（结构如图a）金刚石是最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，成空间网状结构，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。金刚石的熔沸点高，熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。在金刚石分子中，每一个碳原子都被另外四个碳原子包围着，这些碳原子以很强的结合力连接在一起，形成了一个巨大的分子，因此金刚石很坚硬。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品，钻头材料等。石墨 石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨属于混合型晶体，既有原子晶体的性质又有分子晶体的性质。质软，有滑腻感，具有优良的导电性能。熔沸点高。石墨分子中每一个碳原子只与其他三个碳原子以较强的力结合，形成了一种层状的结构，而层与层之间的结合力较小，因此石墨可以作为润滑剂。用途是制作铅笔，电极，电车缆线等。（结构如图b）足球烯 1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。一个C60分子中有60个C原子，构成32个面，20个正六边形，12个正五边形。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。（结构如图d,e,f）属于分子晶体，熔沸点低，硬度小，绝缘。蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）（结构如图c）蜡石（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）汞黝矿结构（Schwarzite，由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构）碳纤维（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维）碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）[9] 石墨烯 是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。其他结构 无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨）

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