碳

没有化学元素碳，我们所知道的生命将不复存在。碳为所有这些提供了框架组织的植物而且动物．这些组织是由围绕碳原子链或环的元素组成的。碳也提供了燃料-煤、焦炭、石油、汽油和天然气。糖、淀粉和纸都是碳、氢和氧的化合物。蛋白质如头发、肉和丝绸含有碳和其他元素，如氮、磷和硫。

已知的碳元素化合物的数量以百万计，并定期发现和合成更多。数百种碳化合物具有重要的商业价值，但这种元素本身以钻石，石墨，木炭，炭黑，和富勒烯也是不可或缺的。

碳在自然界中是宇宙中含量第六多的元素，在地壳中按质量顺序排列是第19个元素。作为元素，碳以石墨、金刚石和富勒烯的形式存在，它是地壳的一小部分，但碳与其他元素的化合物非常常见。碳原子的化学符号是c。常见的富含碳的自然物质有煤、石油、天然气、油页岩、石灰石、珊瑚、牡蛎壳、大理石、白云石和菱镁矿。石灰石，珊瑚和牡蛎壳主要是碳酸钙，CaCO_3.．大理石、白云石和菱镁矿也含有钙、镁和碳。

煤炭，石油，天然气，油页岩主要是碳和的化合物氢它们来自数百万年前沉积在地球上的植物和动物，并受到高压的影响。这些沉积物曾经是所谓的碳循环在美国，一个动态的变化系统仍在发生。通过光合作用在美国，植物利用阳光进行转化二氧化碳从空气中吸收水分，将土壤中的水分转化为植物组织，如纤维素，并转化为能量来源，如糖。植物释放氧气飞向空中碳水化合物糖和纤维素被合成。动物吃植物，从空气中吸入氧气，氧化碳水化合物，或将其作为燃料，释放能量给动物。最终，动物新陈代谢的产物——二氧化碳、水和其他废物——又回到大气和地球。这样的循环永无止境。

除了碳在化合物中广泛存在之外，元素的两种同素异形体——金刚石和石墨——在地球各地广泛分布。第三种形式，富勒烯，很容易在实验室合成;在自然界中，在一些恒星和星际尘埃中，在地球上的煤烟火焰和某些类型的古代岩石中，以及在一些陨石撞击地点附近，都能发现低浓度的硫。

一个钻石碳，无论大小，都可以看作是一个碳原子分子，每个碳原子与另外四个碳原子连接成正四面体或三角形棱镜。的水晶结构被称为面心立方晶格。钻石非常坚硬，但很脆，比重高达3.51。其2.42的高折射率是衡量钻石折射或弯曲光线的程度。这种特性赋予钻石光辉和火焰。钻石可以沿着它的晶面被切割成更小的碎片，而解理的两侧保持光滑。这一特性对钻石切割师和珠宝商非常重要。

石墨是碳的第二个同素异形体，在古代就为人所知。天然石墨矿床被称为黑铅、银铅和铅矿方铅矿的另一种名称——铅矿。斯里兰卡的石墨储量最大，但质量最高的石墨产自马达加斯加。其他来源包括朝鲜、墨西哥、加拿大、西伯利亚和纽约州。与金刚石的结构相反，石墨的结构由多层金刚石组成石墨烯；每一层都是由碳原子组成的二维薄片，由强键组成正六边形。这些层是由远距离的、相对较弱的吸引力结合在一起的范德华斯部队。这些层可以很容易地相互滑动，这在一定程度上解释了石墨的润滑性能。

无定形碳不是真正的同素异形体，因为它是一种由微观晶体组成的石墨形式。无定形碳是通过在有限的空气中将各种富碳材料中的任何一种加热到1200°F到1800°F(650°C到980°C)而获得的，这样就不会发生完全燃烧。例如，煤加热得到焦炭;天然气或石油给炭黑(又称油烟黑和通道黑);用木头做木炭;骨给骨焦;石油焦或煤，用于烘烤碳、碳弧或碳电极。

1785年，人们发现从木材和木炭炭化中提取的活性炭可以去除溶液中的颜色，例如，原糖溶液中的棕色。活性炭仍被用于甜菜糖工业，骨炭在甘蔗糖工业中被用于同样的目的。其他常用活性炭脱色的食品包括醋、高汤、威士忌、明胶和油脂。活性炭还用于吸附化学战争中使用的有毒气体，吸附有机蒸汽，并回收溶剂。所有这些用途都依赖于杂质附着在被精细分割的碳的巨大表面积上。

大多数炭黑用于制造轮胎;提高橡胶的强度，抗刮擦。其余的用于制造报纸和杂志的印刷油墨，以及油漆、漆、珐琅和复写纸。

富勒烯它是一种空心的碳原子团，可能是球形或圆柱形，于1985年首次被发现。第一个发现的形式类似于建筑师制作的测地线圆顶巴克敏斯特·富勒，因此被命名为巴克敏斯特富勒烯。通常被称为巴基球，这种形式有60个碳原子排列成一个五面和六面几何形状，类似于足球。富勒烯的第二种形式，通常称为纳米管，由一个或多个二维圆柱体组成石墨烯床单，1991年被发现。富勒烯具有广泛的工业和生物医学应用。通过实验，科学家们得出结论，富勒烯存在于星际空间和地球上某些气体燃烧产生的煤烟中。1992年，在6亿多年前形成的岩石沉积物中首次发现了它。1996年，科学家们在加拿大安大略省的萨德伯里陨石坑发现了富勒烯沉积物;这个陨石坑被认为是由大约19亿年前的小行星撞击形成的。自1999年以来，在一些坠落到地球上的陨石中也发现了富勒烯。

含碳化合物的合成是从自然界中可用的碳化合物开始的。起始化合物的来源是脂肪烃(碳和氢的直链分子)的石油和芳香烃(碳和氢的环)的煤或石油。石灰石含碳的电石和乙炔可以用它来制造，它对那些没有天然石油的国家的化学工业极其重要。

含碳化合物硼而且硅是已知最坚硬的物质之一。在称为莫氏硬度的标准尺度上，金刚石是10,SiC，碳化硅(或碳化硅)是9.15,B₄C，碳化硼，是9.32。这些碳化物用作砂轮上的磨料。它们在化学上是惰性的，几乎坚不可摧。由较多金属元素形成的碳化物等铁，钴,镍相比之下，它们很容易被酸分解产生碳氢化合物——主要是甲烷和氢。（另请参阅一氧化碳；有机化学．)

一个普通的碳原子原子核中有6个质子和6个中子;所以这个原子叫做C-12。碳原子的另一种同位素，即碳原子的原子核中有6个质子和7个中子，称为碳-13，或C-13。天然来源中C-12和C-13的相对丰度分别为98.89%和1.11%。然而，在空气中，来自宇宙射线的快速飞行的中子不断撞击氮原子(N-14，有7个质子和7个中子)。每当一个中子撞击，它就会把一个质子从氮原子的原子核中赶出来，取代它的位置。因为这个原子现在有6个质子，所以它是一个碳原子。然而，它的原子核中有14个粒子(6个质子和8个中子);所以被称为C-14。

这种形式的碳会衰变放射性．生成和衰变是平衡的，因此C-12和C-14在二氧化碳中始终保持相同的比例。由于这两种形式在化学上是相同的，植物以相同的比例使用它们进行光合作用。因为动物以植物为食，所有生物都有这个比例。

然而，化石、木乃伊和木制遗迹不再与空气交换碳。死亡时存在的碳(C-12)仍然存在，但C-14通过放射性衰变，与C-12的比例下降。用盖革计数器或闪烁计数器可以很容易地检测到变化的比率;变化的大小说明了标本的年龄。例如，假设样品中C-14的百分比只有空气中C-14的一半。C-14的半衰期大约是5730年，所以这个标本一定有这么老了。

放射性碳-13被用作许多化学反应的示踪剂。例如，化学家可以将其引入食物中，然后用一种特殊类型的盖革计数器或闪烁计数器跟踪食物在人体中的过程。这种方法已被用于追踪光合作用的步骤。

Leallyn B. Clapp

艾德。