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碳是一种非常常见的元素，人类使用碳的历史可以追溯到青铜器时代，而人类最早利用的碳要属木炭，木炭不仅被人们用作燃料，而且还被用作还原剂。而在高中化学教材中，对这种历史悠久的物质的知识要求不是很多，所以在教学中有必要对碳的化学方面的知识进行一个较深入的拓展和探究。本文主要从以下六个方面进行阐述：

一，碳为何为“碳”

碳的拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。

在周期表中的元素的名称有一个规律，那就是金属一般为‘钅’字旁，气态非金属为‘气’字头，固态的非金属为‘石’字旁，液态的非金属为‘氵’旁，汉字“碳”是由固态的木炭的“炭”字加固体非金属元素的‘石’字旁构成，从炭字音。

二，碳元素的基本知识

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。它的元素符号是C，原子序数为6，原子核外电子排布结构参照图（1）。

碳是以多种形式（包括游离态、化合态）广泛存在于大气和地壳之中。碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本，所以碳还有有机世界的主角的称号。

三，碳的同位素

碳的同位素，目前已知的共有十二种，分别是⁸C、⁹C、¹⁰C、¹¹C、¹²C、¹³C、¹⁴C、¹⁵C、¹⁶C、¹⁷C、¹⁸C、¹⁹C，其中¹²C和¹³C属稳定型，其余的均带放射性，¹⁴C的半衰期长达五千多年，其他的均全不足半小时。

 在地球的自然界里，12C在所有碳的含量占98.93%，13C则有1.07%。C的相对原子质量取¹²C、¹³C两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。

¹²C是国际单位制中定义摩尔的标准，以12克¹²C中含有的原子数定义为1摩尔。¹⁴C由于具有较长的半衰期，被广泛用来测定古物的年代。

 四，碳的同素异形体及其结构和用途

碳的单质就目前已知及对相关报道的总结，以多种同素异形体及新型无机材料的形式存在，主要有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、六方金刚石、赵石墨、碳气凝胶及碳纳米泡沫，本文主要介绍其中的五种：

1，金刚石

金刚石俗称钻石，晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的物质。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻划法规定，以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如Cr的硬度为9，Fe为4.5，Pb为1.5，钠为0.4等。在所有非金属单质中，金刚石的熔点最高，达3823K。

金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体结构。金刚石的面心立方晶胞的结构见图（2）

 由于金刚石晶体中碳碳键很强，所有价电子都参与了共价键的形成。晶体中没有自由移动电子，所以金刚石硬度大，熔点高，但是不能导电。

金刚石除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，它是重要的现代工业材料，但是因为价格十分昂贵，所以限制了其作为材料的应用范围。

2，石墨 

碳的同素异形体石墨在我国古代文献也是煤的别名。它在16世纪间被欧洲人发现，曾被误认为是含铅的物质，而被称为“绘画的铅”，直到1779年，瑞典化学家舍勒指出将石墨与硝酸钾共熔后产生二氧化碳气体，才确定它是一种矿物木炭。

石墨是一种很软的物质。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。

石墨内部的碳原子呈层状排列，如图（3）所示，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。此外，剩下的一个电子活动在层与层间，是自由电子，而且很多时候，石墨是多晶体结构，因此宏观上石墨各向均有导电能力，但由于多晶体结构，在自由电子跨越各单晶体晶界时，各单晶体取向不一致，造成石墨导电能力比金属要差些。

石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。

3，富勒烯

富勒烯的英文名称为Fullerenes，也被称为巴基球，主要有C60和C70，目前媒体也有关于合成出C50的报道。

1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光照射石墨，使其蒸发，生成碳灰。然后对碳灰进行质谱分析发现，这些碳灰中含有两种物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为C₆₀和C₇₀。C₆₀结构，如图（4）所示，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯。

C₆₀本身是不导电的绝缘体，但当碱金属原子嵌人C₆₀分子的空隙后C₆₀与碱金属形成的系列化合物就成为超导体， C₆₀系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。

 4，碳纳米管

碳纳米管的英文名称是Carbon nanotube，是普通石墨的一个奇异变种。

纯碳纳米管每克售价1000元，价格为黄金的10倍。在过去一段时期，普通石墨就在科学家们的手中，变成了碳纳米管，它就像是一根魔术棒，不断变换出各种新花样，使得碳纳米管成为纳米科技的新宠。

5，碳纤维

碳纤维的英文名称为Filamentous carbon，是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般90%以上，从理论上讲，碳纤维也是一种无定形碳。

碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料及复合材料，广泛应用于航空航天领域、体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

五，碳的循环

    碳的循环从循环对象所在区域可以分为以下两个部分，无机自然界和有机生物圈中的碳循环，在无机自然界中，主要是以化石燃料的燃烧、岩石的风化和溶解、火山爆发等形式从游离态的碳或化合态的碳化合物转化为大气中的二氧化碳，而有机生物圈中的碳循环主要形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，然后经过消费者和分解者，通过呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄库中。

此外，碳的循环若以CO₂的生成和消耗来考虑，又可以分为碳吸收和碳释放两个过程，碳吸收是指将碳从大气中移除出去，实际上是指CO₂转化为其他化合物的过程，例如，绿色植物进行光合作用时要吸收二氧化碳，使CO₂ 从大气中移除，而碳释放是指含碳的物质经过化学变化或物理变化转化为CO₂气体，重新回到大气中的过程，例如，燃烧木材和矿物燃料会产生CO₂，海洋溶解的CO₂又释放到大气中。

六，碳的未来

碳的未来可谓是一片光明，科学家们对碳的研究也越来越深入，从碳纤维到碳纳米管，这些新型材料使我们的生活变得更加丰富多彩，此外，碳在医学、材料、航空航天等领域里的应用都是对科学界的挑战，例如在医学领域，二氧化碳激光治疗检测，为血管造影剂；在材料领域，碳纳米管随着新一代平面显示材料的开发而逐渐进入大众生活。