栏目：炒股赚钱 作者：网上配资股票 更新：2026-03-23 阅读：1
<{网上配资股票}>碳（拉丁语意为煤炭）是一种化学元素
历史
中文的“碳”字为形声字，以石部表示固体非金属，并以“炭”旁表示碳元素源自木炭或煤炭等物质。韩文及日文中碳的汉字写法均为“炭素”。在英文中，来自拉丁文的carbo，即煤炭和木炭；法文中的同样也是木炭的意思。德文、荷兰文和丹麦文中碳分别写作、和，都是“炭物质”的意思。
最早的人类文明就已在煤烟和木炭中发现了碳。中国人早在公元前2500年就发现了钻石。人们在古罗马时代就开始通过在无氧环境下加热木材制造木炭。
1722年，瑞尼·瑞欧莫发现铁在转变为钢的过程中会吸收一种物质，今天人们知道这就是碳。1772年，安东万·拉瓦锡证明钻石是完全由碳组成的。他燃烧了木炭和钻石，发现两者都没有产生水，而且形成的二氧化碳质量相同。
人们曾以为石墨是铅的一种形态，但卡尔·威廉·舍勒在1779年证明了它和木炭相同，但混有小量铁，并会经硝酸氧化之后释放二氧化碳。
1786年，法国科学家克劳德·贝托莱、加斯帕·蒙日和沙尔·奥古斯丁·范德蒙以拉瓦锡对钻石所用的方法证明，石墨同样主要由碳组成。石墨在燃烧后同样留下了铁，因此他们以为铁在石墨结构中是必要的。拉瓦锡在他1789年的教科书中将碳列为化学元素。
1985年，科学家发现了一种新的碳单质富勒烯，其中包括巴基球、碳纳米管等等。发现者罗伯特·柯尔、哈罗德·克罗托和理查德·斯莫利因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。其他奇特的碳同素异形体也被陆续发现了，例如玻璃碳。
性质
物理性质
物态：固体
密度：（接近室温）
无定形：1.8–2.1 g·cm−3
密度：（接近室温）
钻石：3.515 g·cm−3
密度：（接近室温）
石墨：2.267 g·cm−3
升华点：3915 K，3642 °C，6588 °F
三相点：4600 K（4327 °C），
熔化热：117（石墨） kJ·mol−1
比热容：6.155（钻石）、8.517（石墨） J·mol−1·K−1
原子性质
氧化态：4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3, −4
电负性：2.55（鲍林标度）
电离能：第一：1086.5 kJ·mol−1，第二：2352.6 kJ·mol−1，第三：4620.5 kJ·mol−1
共价半径：77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
范德华半径：170 pm
其他性质
碳的各种同素异形体的物理特性差异极大，例如钻石是最坚硬的天然物质，而石墨则是最柔软的物质之一。碳可以和众多较小原子（包括碳原子）产生多个共价键，因此碳化合物的总数是各个元素中最高的，已发现的有近一千万种碳（拉丁语意为煤炭）是一种化学元素，占所有已知化合物的绝大多数。碳的升华点是所有元素中最高的。在标准大气压下，碳没有熔点，因为它的三相点位于10.8±0.2MPa、4600±300K（约4,330°C），而是会在3,900K左右升华。因此所有碳同素异形体的固体温度上限比熔点最高的金属还要高碳元科技股怎么跌得厉害，如钨和钌。虽然碳能够进行氧化反应，但它的耐氧化性比铁和铜等元素都强。
碳化合物是地球上所有生物的化学基础。碳氮氧循环反应是太阳以及其他恒星内部部分能量的来源。虽然碳拥有上千万种化合物，但碳在一般条件下的化学性质并不活跃。在标准温度和压力下，碳能够抵抗几乎所有的氧化剂，并只会与最强的氧化剂反应。无论是硫酸、盐酸、氯还是任何碱，都无法侵蚀碳。在高温底下，碳会和氧反应形成碳氧化物（CO、CO2），也会把金属氧化物还原为纯金属，例如将氧化铁还原为游离态铁。这一放热反应应用于钢铁工业中，用以控制钢铁的碳含量：
碳的各种同素异形体有着两极化的异常特性：
同素种类
碳的同素异形体有数种，最常见的包括：石墨、钻石及无定形碳。这些同素异形体之间的物理性质，包括外表、硬度、电导率等等，都具有极大的差异。在正常条件下，钻石、碳纳米管和石墨烯的热导率是已知材质中最高的。
所有碳的同素异形体在一般条件下都呈固态，其中石墨的热力学稳定性最高。它们不易受化学侵蚀，甚至连氧都要在高温下才可与其反应。碳在无机化合物中最常见的氧化态为+4，并在一氧化碳及过渡金属羰基配合物中呈+2态。无机碳主要来自石灰石、白云石和二氧化碳，但也大量出现在煤、泥炭、石油和甲烷水合物等有机矿藏中。碳是所有元素中化合物种类最多的，目前有近一千万种已记录的纯有机化合物，但这只是理论上可以存在的化合物中的冰山一角。
碳的丰度在地球地壳中排列第15，并在全宇宙中排列第4，名列氢、氦和氧之下。由于碳元素极为充沛，再加上它在地球环境下所能产生的聚合物种类极为繁多，因此碳是地球上所有生物的化学根本。
同素异形体
原子碳的存活时间极短，因此碳一般以多原子形态稳定存在，这些碳原子的不同排布方式称为同素异形体。最常见的三种碳同素异形体为无定形碳、石墨及钻石。富勒烯曾经是新发现的奇异物质，但今天已大量生产，受到了科学家的深入研究。富勒烯共包括巴基球、碳纳米管、碳纳米芽及碳纳米纤维等。其他同素异形体还有：蓝丝黛尔石、玻璃碳、碳纳米泡沫及直链乙炔碳等等。
碳的无定形体是碳原子以非晶体形式不规则排列时形成的玻璃态物质，也就是不具备宏观晶体结构的石墨。无定形碳呈粉末状，是煤炭、煤烟（炭黑）及活性炭的主要成分。在正常压力下，碳以石墨的形式存在，其中每个碳原子都和另外三个碳原子键合，形成平面六边形环平铺结构。这一种网状平面结构能够层叠起来，每层间有弱范德华力。因此石墨性质柔软，也可作润滑剂（因为层与层间能轻易平行滑动）。由于石墨中每个碳原子都有一颗外层离域电子，共同形成遍布整个平面的π-云，所以电能顺着石墨的每个共价键合平面上传导。因此碳的整体电导率低于大部分金属。由于含有离域电子，因此在标准条件下石墨比钻石更加稳定。
在极高压力下，碳会形成原子排布更紧密的钻石，其密度几乎为石墨的两倍。钻石中的每个碳原子以四面体状与另外四个碳原子键合，形成一个三维密铺网状结构。钻石晶体属立方晶系与硅和锗相同。由于碳－碳共价键非常强，因此钻石是最抗刮损的天然材质。虽然民间有“钻石是永恒的”一说，但实际上钻石在标准环境下并不具备热力学稳定性，而且会转变为石墨。然而由于转变需要较高的活化能，所以该过程极为缓慢，肉眼无法观察。碳在某些情况下会结晶成蓝丝黛尔石。这一形态为六方晶体，所有碳原子间都以共价键键合。因此蓝丝黛尔石与钻石特性相近。
富勒烯的结构与石墨相似，但除了六角碳原子环以外，它还含有五角环和七角环。这些环镶嵌成平面，卷缩成球体、椭球体和圆柱体等形状。各种富勒烯（包括巴基球、碳纳米管和碳纳米芽）的特性仍尚待研究，属于纳米材料科学的范畴。“富勒烯”和“巴基球”是以推广网格球顶作为建筑结构的建筑师巴克敏斯特·富勒命名的，而网格球顶与富勒烯的几何结构相似。巴基球是较大的纯碳单质分子，每个碳原子与三个碳原子键合，形成椭球体（最简单的一种为足球形的，亦即巴克敏斯特富勒烯）。碳纳米管则是碳原子六角形密铺平面所卷缩而成的管状（圆柱体）分子。2007年，科学家首次宣布发现碳纳米芽，一种巴基球和碳纳米管的混合体（巴基球键合在碳纳米管壁上）。碳纳米芽同时具有巴基球和碳纳米管的属性。
其他同素异形体还有碳纳米泡沫，发现于1997年，具铁磁性。碳纳米泡沫由众多碳原子低密度聚集而成，每个原子与三个碳原子键合，形成由六角或七角环串联而成的松散三维网格。它是已知最轻的固体之一，密度约为2kg/m3。同样，玻璃碳也含有大量的内部气孔。但与普通石墨不同，其每一层并不平行层叠，而是以相对随机的方式排布。直链乙炔碳的化学结构为-（C:::C）n。这一分子呈直链型，具有sp杂化轨道，是一种在三键和单键之间交替的聚合物。其杨氏模量是世界上最坚硬材料钻石的40倍，因此在纳米科技中有相当的研究空间。
存量
碳在全宇宙各元素中总质量排列第四，位于氢、氦和氧之后。碳大量存在于彗星、大部分行星大气层、太阳以及其他恒星中。一些陨石含有太阳系还处于原行星盘时所遗留下来的微钻石。陨石撞击时的巨大温度和压力也会在撞击坑处形成微钻石。
碳与氧结合成二氧化碳，大量存在于地球大气中（当中约有8100亿吨碳）并溶解在所有水体中（约有36万亿吨碳）。整个生物圈共含有约1.9万亿吨碳。碳氢化合物（如煤、石油和天然气）同样含有碳：煤矿储备共有约9000亿吨碳，石油储备有约1500亿吨碳，而天然气则有约1050亿吨碳，但仍不包括页岩气等非常规天然气源（含有5400亿吨碳）。碳也封存在地球两极和海底的甲烷水合物中，碳含量估计共有5千亿至2万5千亿吨，另有研究估计含量为3万亿吨。过去的碳氢化合物含量比今天要多。从1751年至2008年有大约3470亿吨碳在化石燃料燃烧过程中以二氧化碳的形式释放到大气层中。
碳酸盐岩石（石灰石、白云石、大理石等等）中含有大量的碳。最大的碳矿石来源是煤，占化石燃料的80%。
若以个别同素异形体计算，则石墨主要位于美国（以纽约州及德克萨斯州为主）、俄罗斯、墨西哥、格陵兰和印度。天然钻石主要出现在古火山的“颈部管道”部分的金伯利岩内。大部分钻石矿藏都位于非洲，其中以南非、纳米比亚、博茨瓦纳、刚果共和国及塞拉里昂居多。其他矿藏地点包括美国阿肯色州、加拿大、俄罗斯北极圈内、巴西以及西澳洲。好望角对出的洋底也有进行钻石的开采。虽然自然界中存在着不少钻石，但是在美国有30%的工业用钻石都是人工合成的。
宇宙射线会在海拔9至15公里的对流层和平流层处产生碳-14。这一反应中，热中子撞击氮-14原子核，形成碳-14原子核及一颗质子。
碳循环
在地球上并不容易发生元素间的转变，因此地球上的碳基本上是守恒的。任何使用到碳的物理及化学过程都必须从一处取得碳，并在过程后转移到另一处。环境中碳所遵循的路径称为碳循环。例如，植物从周围环境中吸取二氧化碳，用以增加自身质量。动物可能会进食一部分植物体，并再以二氧化碳把碳还原到环境中。整个碳循环实际上复杂得多，比如一些二氧化碳会溶解在海洋中，动植物死亡后也会成为石油或煤，再经焚烧把碳还原到大气中。
化合物
有机化合物
碳能够形成串连的键，形成很长的分子链，这种特性叫做成链。碳－碳键强而稳定。因此，碳可以形成几乎无限种不同的化合物。其实，碳化合物的数量比其他所有元素的化合物加起来还要多（除氢以外碳元科技股怎么跌得厉害，因为大部分碳化合物都含有氢）。
最简单的有机分子是碳氢化合物。这些化合物以一条碳链为主干，并有氢原子键合在碳链上。链长、支链及官能团等都会影响有机化合物的物理及化学特性。
所有生物体中都含有碳，并以碳作为有机化学的基础。碳氢化合物在工业上可用作制冷剂、润滑剂、溶剂、塑料的制造原料、化石燃料等等。
碳与氧和氢结合后，会形成众多必不可少的生物化合物，包括糖、木酯素、甲壳素、醇、脂、酯、类胡萝卜素、萜烯等等。碳与氮结合会形成生物碱，再加上硫后会形成抗生素、氨基酸及橡胶等等。最后加入磷，会形成生命所需的化学编码分子DNA及RNA，以及生物细胞用以传递能量的三磷酸腺苷（ATP）。
无机化合物
矿石中的含碳物质以及不含氢或氟的碳化合物一般不归于有机化合物中，但这种定义并不是绝对的。这些无机化合物包括最简单的各种氧化碳，其中最重要的就是二氧化碳。二氧化碳曾是古大气层的主要成分，但今天则只占地球大气层中的极小一部分。当二氧化碳溶于水后，会形成碳酸。但由于有多个氧原子以单键连结到一颗碳原子上，所以它并不稳定。然而通过这一中继状态，因共振而稳定的碳酸盐离子得以形成。一些重要的岩石都含有碳酸盐，如石灰岩、白垩岩和大理石等。
金属有机化合物
金属有机化合物是任何具有碳－金属键的化合物。金属有机化合物类别繁多，主要分为烷基金属化合物（如四乙基铅）、η2烯烃化合物（如蔡斯盐）和η3烯丙基化合物（如氯化烯丙基钯二聚物）；含环戊二烯配位体的茂金属（如二茂铁）；以及过渡金属卡宾配合物。金属羰基配合物有很多种，包括四羰基镍等。
应用
石墨
大量天然石墨矿藏分布在世界各地，其中主要出产国为中国、印度、巴西和朝鲜。石墨矿石都是变质岩，与石英、片岩中的云母和长石、片麻岩及变质砂岩和石灰岩一同出现，呈透镜状或叶脉状，厚度可达1米多。位于英国坎伯兰博罗戴尔的石墨矿藏巨大且纯度高，直到19世纪，人们都直接锯下石墨块，削成条状后包在木条中，作铅笔出售。今天，要从较小的石墨矿中提取石墨碳（拉丁语意为煤炭）是一种化学元素，需要把矿石压碎后，用水浮出较轻的石墨。
天然石墨以三种形式出现：无定形态、薄片状或结晶薄片状以及叶脉状或块状。无定形石墨的质量最低，但也最常见，一般被用于生产价值最低的产品。在工业中“无定形”指的是晶体细小，而非科学中所指的完全缺乏晶体结构。无定形石墨大量出现在位于中国、欧洲、墨西哥以及美国的大型矿藏中。薄片状石墨的价值更高，也较少见，通常出现在变质岩中。质量较高的薄片石墨价格可以是无定形石墨的4倍，可制成膨胀性石墨，用作阻燃剂等。薄片石墨出产于巴西、加拿大、中国、德国和马达加斯加。叶脉状或块状石墨最为罕见，是天然石墨中质量与价格最高的一种。这种石墨整块出现在岩石之间，目前只有斯里兰卡出产。
根据美国地质调查局的数据，2010年全球石墨产量为1100万吨，其中中国占了80万吨，印度13万吨，巴西7.6万吨，朝鲜3万吨，加拿大2.5万吨。美国没有开采自然石墨，但2009年共生产了11.8万吨合成石墨，估计总值9.98亿美元。
钻石
全球的钻石生产由少数大型企业控制，而钻石矿藏也只分布在地球的少数地区。
钻石矿石中只有极小部分是钻石。在最初压碎矿石时须避免损伤大块钻石，压碎后再以密度分开各种粒子。今天，人们利用X射线荧光光谱仪能够预先找到钻石含量较高的部分，接着的分类过程则由人工进行。在X光科技普及之前，人们用涂上油脂的运输带提取钻石。钻石比矿石中其他的矿物更容易粘在油脂上。
历史上只有南印度出产钻石。自公元前9世纪左右至公元18世纪中叶，印度都是世界唯一的钻石产国。18世纪末，印度的矿藏已经衰减了许多，因此巴西1725年发现钻石后，成为了印度以外的首个钻石产地。
1870年代人们发现了南非的钻石矿场，才开始了对主要矿藏（金伯利岩及钾镁煌斑岩）的开采。产量不断提高，截至2007年一共已有45亿卡拉钻石从当地开采出来。钻石在美国主要分布在阿肯色州、科罗拉多州和蒙大拿州。
当今经济效益最高的钻石产国有俄罗斯、博茨瓦纳、澳洲及刚果共和国。俄罗斯的钻石产量为全球的五分之一。澳洲拥有钻石含量最高的矿藏，其年产量在1990年代达到4200万吨的顶峰。其他的商业钻石矿场位于加拿大加拿大、俄罗斯西伯利亚（大部分在雅库特地区）、巴西以及澳洲北部和西部。
