在100多種化學元素中，變化最多的當屬碳元素。那麼碳元素是怎麼産生的呢？碳元素的産生與恒星核聚變有關，随着恒星的進化，恒星核内氫經過核聚變轉化為氦，恒星在重力的作用下開始向内塌陷，這種塌陷增加了恒星内部溫度和壓力，直至氦經過核聚變反應形成了碳。

圖1 碳圖源自網絡

碳之發現

已有文獻記載，從有人類出現在地球上，就和碳有了親密的接觸。下雨打雷，閃電交加，導緻木柴燃燒殘留下的殘渣諸如木炭，原始社會人們用燃着的木棒驅逐野獸動物，動物被燒死後，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現，但是發現碳的準确日期還未有史料記載。1789年拉瓦錫編制《元素表》，在這時，碳作為元素首次正式出現在大衆視野。

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

石墨在16世紀被歐洲人發現誤認為是含鉛的物質，稱為可以“繪畫的鉛”，1779年瑞典化學家舍勒将“繪畫的鉛”與硝酸鉀共熔後産生二氧化碳氣體，這才确定它為一種礦物木炭。1722年，法國化學家拉瓦錫進行了燃燒金剛石的實驗，把金剛石放在用水密封的玻璃鐘罩内，加熱發現：澄清石灰水檢驗密封用水時産生白色沉澱，這和燃燒木炭所得到的結果一樣，拉瓦錫認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。

碳之認識

我相信學習過化學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，相對原子質量為12.0107，原子核最外層電子數為4，既不容易失去電子，也容易得到電子，化學價态為負4價和正4價，化學性質比較穩定，可以呈現單鍵、雙鍵、三鍵等多種價态，也正因碳元素這種特殊性，構造出千姿百态的碳單質。目前可以查找到的碳的同素異形體有數十種。諸如石墨、金剛石、C60、碳鈉米管等，有學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，碳家族成員數量龐大，種類繁多。

碳之應用

碳屬于非金屬元素，由于其特殊結構，它的化學性質比較穩定，在自然界中常以單質形式存在。但在高溫條件下，比較活潑，與氧、氫結合，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用。

（一）碳與工業領域

碳在工業上的運用可謂神通廣大，碳單質有：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。工業之碳主要以碳為原料，冶煉金屬制品、工業産品等。比如焦炭煉鐵，1961年我國廣東新會發掘南宋末年煉鐵遺址時，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，并獲得了這項技術專利。焦炭煉鐵主要是鐵在燃燒過程中，高爐内部溫度控制在1800℃～1900℃之間，在此溫度下，鐵可以更好地進行氧化還原反應，通過裝料系統不斷向高爐設備内部輸送焦炭，保證高爐内部溫度處于相對平穩的狀态。在冶煉過程中，焦炭要到達風口時，風口的高溫會使焦炭産生化學反應，同時生成二氧化碳，實現大量熱量釋放。在二氧化碳數量持續增長過程中，由于缺乏氧氣進行化學反應，使二氧化碳在大量熱量情況下形成H2和CO，H2和CO作為高爐内部鐵氧化物的還原劑，能夠還原高爐内部大量鐵元素，這也是确保高爐内部冶煉鐵質量和産量的一個重要的化學反應以及步驟[2]。

圖 2焦炭圖源自網絡

（二）碳與生活領域

據中國水資源公報查知，我國2018年全國廢污水排放總量達到了750億噸，水體中排放污染物種類繁雜、處理困難等特點。解決污水問題迫在眉睫，相應地對污水治理提出了更高要求，采用環保性材料對污水進行治理，不産生副産物，不會對環境進行二次污染，因此迫切需要能夠解決污水問題的環保材料。

在此情況下碳氏家族成員——活性炭發揮了神奇的作用。活性炭是一種具有特殊微晶結構、發達孔隙結構、較大表面積、強吸附性的含碳材料，化學穩定性好，具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點。活性炭難溶于水和有機溶劑，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，根據這一特點被廣泛應用在水污染問題處理中。

活性炭在衆多的吸附劑中名列前茅，不僅僅是因為它的孔結構，與它的化學組成也有密切關系。除此之外，活性炭表面是非極性或弱極性的，和其他大多數吸附劑相反，這些優勢特點結合起來使活性炭成為一種優質的吸附劑。人們對活性炭的探索并未停止，對活性炭的技術開發越來越多，其應用範圍拓展到了改良土壤、大氣污染、食品領域等。總之，活性炭對我們的生活發揮了巨大作用，使我們的生活更加健康、環保。

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“金剛鑽”，是一種由碳元素組成的礦物，是鑽石的原身。金剛石顔色各色各異，硬度大，反光性強，可以反射出形色各異的光，金剛石作為鑽石是極具價值的技術材料，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現鑽石的地方，時隔一段時間，1725年巴西開采出大量鑽石，這使得巴西取代印度成為了當時全球最重要的鑽石産地。直到1867年，真正的鑽石王國登上了曆史舞台，就是南非。1905年，在南非阿紮氏亞發現了最大的鑽石：庫利南鑽石，有幸将這顆巨鑽鑲嵌在英王的權杖上，象征着英王的權勢，南非的鑽石産量到現在依然處于世界前列，并由此開創了鑽石業的新紀元，金剛石發揮着它閃爍的光芒，服務着人們。

圖 3 活性炭圖源自網絡

圖 4 金剛石圖源自網絡

（三）碳與納米領域

碳家族在納米領域發揮的作用就比較“高大上”了，聽我和大家慢慢說來。納米技術是用尖端的科學手段來控制分子尺寸的一門技術，納米材料獨特的物理性質、化學性質使納米科學成為世界上三大支柱科學之一。碳元素則是納米材料一直尋求的重要材料，吸引着衆多科學家去探索，發現了碳元素的許多新型物質，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，是由英國化學家克羅托、美國化學家斯莫利和柯爾研究小組在1985年發現了零維碳材料———富勒烯，由60個碳原子組成的空心圓球狀具有芳香性的分子。富勒烯C60是含有衆多雙鍵、具有獨特籠型結構的三維芳香化合物，化學家們通過給富勒烯分子上引入親水、親油或強極性的基團，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性、強磁性、耐高壓、抗化學腐蝕等優異性質，在納米粒子材料領域普遍應用。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，與二氧化钯配位形成新型富勒烯納米钯催化劑，其具有用量較少，方便回收，減少原料成本等優點。

作為疏水材料，因為富勒烯衍生物納米粒子材料具有優良的疏水性、較強的耐高溫性，通過組裝形成納米粒子、纖維等不同樣态的納米材料，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，給人們各行各業帶來諸多益處，造福着人類。

說到這裡，還想為大家介紹碳在納米領域另一貢獻，那就是碳納米管。碳納米管最早是由日本教授飯島澄男1991年發現，根據納米管中碳原子層數不同，可以将其大緻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，六邊形結構連接非常完美，具有超常的電學、力學、化學性能，因其特異性質在衆多領域運用廣泛。因其可以裝載大量小分子藥物以及生物大分子，具有保護性、釋放性功能，被用作小分子藥物的轉運，廣泛應用在生物醫學。因其具備良好的導電性可以在航空航天用作輕質導線，制備輕質電子器件。也因其具有良好的光學和電學性能，被用作食品添加劑的電化學技術。

圖 5 富勒烯C60 圖源自網絡

圖 6碳納米管圖源自網絡

總結

碳，是不是很神奇？看看它和它的夥伴有沒有覺得它們就在我們的身邊，低調地服務于生活的方方面面。從最貼近我們的生活領域，到突飛猛進的工業領域；從人類生存中作為金屬制品的焦炭，到表達愛意濃濃的炫亮鑽石；從污水環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”性能展現的不同狀态，這些多元化的性能，也使得科學家們為之着迷，對“碳”的研究也成為了他們永不放棄的目标。

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