在100多種化學(xué)元素中，變化最多的當(dāng)屬碳元素。那么碳元素是怎么產(chǎn)生的呢？碳元素的產(chǎn)生與恒星核聚變有關(guān)，隨著恒星的進(jìn)化，恒星核內(nèi)氫經(jīng)過核聚變轉(zhuǎn)化為氦，恒星在重力的作用下開始向內(nèi)塌陷，這種塌陷增加了恒星內(nèi)部溫度和壓力，直至氦經(jīng)過核聚變反應(yīng)形成了碳。

圖1 碳圖源自網(wǎng)絡(luò)

碳之發(fā)現(xiàn)

已有文獻(xiàn)記載，從有人類出現(xiàn)在地球上，就和碳有了親密的接觸。下雨打雷，閃電交加，導(dǎo)致木柴燃燒殘留下的殘?jiān)T如木炭，原始社會人們用燃著的木棒驅(qū)逐野獸動物，動物被燒死后，就會剩下骨碳，這樣碳就被人們所知道，在古代碳就被人們所發(fā)現(xiàn)，但是發(fā)現(xiàn)碳的準(zhǔn)確日期還未有史料記載。1789年拉瓦錫編制《元素表》，在這時(shí)，碳作為元素首次正式出現(xiàn)在大眾視野。

在此之前，也有碳的蹤影，只是還不知道它是碳元素，在我國魏晉時(shí)有相關(guān)記載：“石墨可書，又燃之難盡，亦謂之石炭”。

石墨在16世紀(jì)被歐洲人發(fā)現(xiàn)誤認(rèn)為是含鉛的物質(zhì)，稱為可以“繪畫的鉛”，1779年瑞典化學(xué)家舍勒將“繪畫的鉛”與硝酸鉀共熔后產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，這才確定它為一種礦物木炭。1722年，法國化學(xué)家拉瓦錫進(jìn)行了燃燒金剛石的實(shí)驗(yàn)，把金剛石放在用水密封的玻璃鐘罩內(nèi)，加熱發(fā)現(xiàn)：澄清石灰水檢驗(yàn)密封用水時(shí)產(chǎn)生白色沉淀，這和燃燒木炭所得到的結(jié)果一樣，拉瓦錫認(rèn)為在金剛石和木炭中含有相同的成分，命名為carbon[1]。在20世紀(jì)初carbon傳入我國，被命名為“碳”,開始流行使用，所以“碳”是100％Ｃ，而“炭”的使用追溯到古人記載的木炭、焦炭等。

碳之認(rèn)識

我相信學(xué)習(xí)過化學(xué)的人們都對對碳元素耳聞能詳，脫口說出碳在元素周期表中排第六，相對原子質(zhì)量為12.0107，原子核最外層電子數(shù)為4，既不容易失去電子，也容易得到電子，化學(xué)價(jià)態(tài)為負(fù)4價(jià)和正4價(jià)，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，可以呈現(xiàn)單鍵、雙鍵、三鍵等多種價(jià)態(tài)，也正因碳元素這種特殊性，構(gòu)造出千姿百態(tài)的碳單質(zhì)。目前可以查找到的碳的同素異形體有數(shù)十種。諸如石墨、金剛石、C60、碳鈉米管等，有學(xué)者把碳的同素異形體分為無定形碳、過渡碳、晶形碳等3大類，每一大類下又包含許多小類。由此可見，碳家族成員數(shù)量龐大，種類繁多。

碳之應(yīng)用

碳屬于非金屬元素，由于其特殊結(jié)構(gòu)，它的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在自然界中常以單質(zhì)形式存在。但在高溫條件下，比較活潑，與氧、氫結(jié)合，形成新的化合物，碳的家族又龐大起來，下面碳家族成員的多變應(yīng)用。

（一）碳與工業(yè)領(lǐng)域

碳在工業(yè)上的運(yùn)用可謂神通廣大，碳單質(zhì)有：金剛石、石墨、焦炭、活性炭、木炭等，家族成員龐大，因此用途也包羅萬象。工業(yè)之碳主要以碳為原料，冶煉金屬制品、工業(yè)產(chǎn)品等。比如焦炭煉鐵，1961年我國廣東新會發(fā)掘南宋末年煉鐵遺址時(shí)，除找到爐渣、石灰石、鐵礦石外，還找到了焦炭，是世界上冶鐵用焦炭的最早實(shí)例。

1709年，英國Abraham Darby I采用焦炭替代木炭煉鐵獲得成功，并獲得了這項(xiàng)技術(shù)專利。焦炭煉鐵主要是鐵在燃燒過程中，高爐內(nèi)部溫度控制在1800 1900 之間，在此溫度下，鐵可以更好地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，通過裝料系統(tǒng)不斷向高爐設(shè)備內(nèi)部輸送焦炭，保證高爐內(nèi)部溫度處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。在冶煉過程中，焦炭要到達(dá)風(fēng)口時(shí)，風(fēng)口的高溫會使焦炭產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)生成二氧化碳，實(shí)現(xiàn)大量熱量釋放。在二氧化碳數(shù)量持續(xù)增長過程中，由于缺乏氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使二氧化碳在大量熱量情況下形成H2和CO，H2和CO作為高爐內(nèi)部鐵氧化物的還原劑，能夠還原高爐內(nèi)部大量鐵元素，這也是確保高爐內(nèi)部冶煉鐵質(zhì)量和產(chǎn)量的一個(gè)重要的化學(xué)反應(yīng)以及步驟[2]。

圖 2焦炭圖源自網(wǎng)絡(luò)

（二）碳與生活領(lǐng)域

據(jù)中國水資源公報(bào)查知，我國2018年全國廢污水排放總量達(dá)到了750億噸，水體中排放污染物種類繁雜、處理困難等特點(diǎn)。解決污水問題迫在眉睫，相應(yīng)地對污水治理提出了更高要求，采用環(huán)保性材料對污水進(jìn)行治理，不產(chǎn)生副產(chǎn)物，不會對環(huán)境進(jìn)行二次污染，因此迫切需要能夠解決污水問題的環(huán)保材料。

在此情況下碳氏家族成員——活性炭發(fā)揮了神奇的作用?；钚蕴渴且环N具有特殊微晶結(jié)構(gòu)、發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、較大表面積、強(qiáng)吸附性的含碳材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點(diǎn)?；钚蕴侩y溶于水和有機(jī)溶劑，既可在氣體中使用，也可以在液體中使用，再加上表面的疏水性可以從水溶液中吸附各種物質(zhì)，根據(jù)這一特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在水污染問題處理中。

活性炭在眾多的吸附劑中名列前茅，不僅僅是因?yàn)樗目捉Y(jié)構(gòu)，與它的化學(xué)組成也有密切關(guān)系。除此之外，活性炭表面是非極性或弱極性的，和其他大多數(shù)吸附劑相反，這些優(yōu)勢特點(diǎn)結(jié)合起來使活性炭成為一種優(yōu)質(zhì)的吸附劑。人們對活性炭的探索并未停止，對活性炭的技術(shù)開發(fā)越來越多，其應(yīng)用范圍拓展到了改良土壤、大氣污染、食品領(lǐng)域等?？傊钚蕴繉ξ覀兊纳畎l(fā)揮了巨大作用，使我們的生活更加健康、環(huán)保。

說起碳在生活中的用處，不得不提金剛石，人們對它是愛不釋手。金剛石又叫“金剛鉆”，是一種由碳元素組成的礦物，是鉆石的原身。金剛石顏色各色各異，硬度大，反光性強(qiáng)，可以反射出形色各異的光，金剛石作為鉆石是極具價(jià)值的技術(shù)材料，它可以吸收太陽光中的短波波段，成為紫外線的理想儲藏器，可以為人體殺菌消毒，平衡陰陽氣血，讓皮膚充滿活力，因此深受人們喜愛。

幾千年前，印度曾是世界上最早發(fā)現(xiàn)鉆石的地方，時(shí)隔一段時(shí)間，1725年巴西開采出大量鉆石，這使得巴西取代印度成為了當(dāng)時(shí)全球最重要的鉆石產(chǎn)地。直到1867年，真正的鉆石王國登上了歷史舞臺，就是南非。1905年，在南非阿扎氏亞發(fā)現(xiàn)了最大的鉆石：庫利南鉆石，有幸將這顆巨鉆鑲嵌在英王的權(quán)杖上，象征著英王的權(quán)勢，南非的鉆石產(chǎn)量到現(xiàn)在依然處于世界前列，并由此開創(chuàng)了鉆石業(yè)的新紀(jì)元，金剛石發(fā)揮著它閃爍的光芒，服務(wù)著人們。

圖 3 活性炭圖源自網(wǎng)絡(luò)

圖 4 金剛石圖源自網(wǎng)絡(luò)

（三）碳與納米領(lǐng)域

碳家族在納米領(lǐng)域發(fā)揮的作用就比較“高大上”了，聽我和大家慢慢說來。納米技術(shù)是用尖端的科學(xué)手段來控制分子尺寸的一門技術(shù)，納米材料獨(dú)特的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)使納米科學(xué)成為世界上三大支柱科學(xué)之一。碳元素則是納米材料一直尋求的重要材料，吸引著眾多科學(xué)家去探索，發(fā)現(xiàn)了碳元素的許多新型物質(zhì)，從零維的富勒烯C60、一維的碳納米管到二維的石墨烯，碳的同素異形體不斷被豐富。

富勒烯C60，是由英國化學(xué)家克羅托、美國化學(xué)家斯莫利和柯爾研究小組在1985年發(fā)現(xiàn)了零維碳材料———富勒烯，由60個(gè)碳原子組成的空心圓球狀具有芳香性的分子。富勒烯C60是含有眾多雙鍵、具有獨(dú)特籠型結(jié)構(gòu)的三維芳香化合物，化學(xué)家們通過給富勒烯分子上引入親水、親油或強(qiáng)極性的基團(tuán)，來改變富勒烯分子的相互作用，制成多樣的富勒烯衍生物納米材料。這些富勒烯衍生物納米材料具有特殊的超導(dǎo)性、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性質(zhì)，在納米粒子材料領(lǐng)域普遍應(yīng)用。比如作為新型納米催化劑，用水溶性富勒烯納米材料作為載體，與二氧化鈀配位形成新型富勒烯納米鈀催化劑，其具有用量較少，方便回收，減少原料成本等優(yōu)點(diǎn)。

作為疏水材料，因?yàn)楦焕障┭苌锛{米粒子材料具有優(yōu)良的疏水性、較強(qiáng)的耐高溫性，通過組裝形成納米粒子、纖維等不同樣態(tài)的納米材料，被用作疏水材料。富勒烯衍生物納米粒子材料作為太陽能電池也是不錯(cuò)的選擇，制成富勒烯太陽能電池，方便人類使用，富勒烯衍生物納米粒子材料用途可不僅僅這些，它用途廣泛，給人們各行各業(yè)帶來諸多益處，造福著人類。

說到這里，還想為大家介紹碳在納米領(lǐng)域另一貢獻(xiàn)，那就是碳納米管。碳納米管最早是由日本教授飯島澄男1991年發(fā)現(xiàn)，根據(jù)納米管中碳原子層數(shù)不同，可以將其大致分為單壁管和多壁管2類。碳納米管是一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接非常完美，具有超常的電學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性能，因其特異性質(zhì)在眾多領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。因其可以裝載大量小分子藥物以及生物大分子，具有保護(hù)性、釋放性功能，被用作小分子藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)，廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)。因其具備良好的導(dǎo)電性可以在航空航天用作輕質(zhì)導(dǎo)線，制備輕質(zhì)電子器件。也因其具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能，被用作食品添加劑的電化學(xué)技術(shù)。

圖 5 富勒烯C60 圖源自網(wǎng)絡(luò)

圖 6碳納米管圖源自網(wǎng)絡(luò)

總結(jié)

碳，是不是很神奇？看看它和它的伙伴有沒有覺得它們就在我們的身邊，低調(diào)地服務(wù)于生活的方方面面。從最貼近我們的生活領(lǐng)域，到突飛猛進(jìn)的工業(yè)領(lǐng)域；從人類生存中作為金屬制品的焦炭，到表達(dá)愛意濃濃的炫亮鉆石；從污水環(huán)保處理的活性炭到用途廣泛的碳納米管“天梯”等等。這都是“碳”性能展現(xiàn)的不同狀態(tài)，這些多元化的性能，也使得科學(xué)家們?yōu)橹裕瑢Α疤肌钡难芯恳渤蔀榱怂麄冇啦环艞壍哪繕?biāo)。