碳是生命最為重要的組成元素，是有機物的重要骨架，但以碳一種元素為基礎組成了許多各種各樣的物質，各種物質有着各種用途，他們雖然價格不一樣，但在各自的領域都是不可或缺的一環。今天我們來看一下由碳元素組成的高價值寶貝。

鑽石極其稀有，一方面是鑽石形成的位置很深、形成的溫度和壓力條件也極苛刻，同時由火山運動帶出地表的鑽石更加稀少，它們沉積在被稱為金伯利岩和燈盞岩的火成岩中。

一粒鑲嵌在火成岩中的八面體鑽石

鑽石之所以貴，不僅在于其稀有，更在于它優異的物理特性。

鑽石是碳的菱形立方體結晶。我們知道碳的原子序數是6，它的外層有6個電子，這6個電子的軌道分布為1s²2s²2p²，它的第二層共有4個電子，這4個電子可以分别與相鄰的原子結合成四面體，使軌道sp²變成更穩定的sp³。四面體是剛性的，粘合強，并且在所有已知物質中，鑽石每單位體積具有最大數量的原子。

鑽石與石墨結構對比

鑽石的獨特結構使其擁有優異的光學特性，它具有5.5 eV的寬禁帶，相當于225納米的深紫外波長，因此鑽石透明且擁有極高的折射率。我們了解鑽石因為它是珠寶界的寵兒，珠寶商将鑽石打磨成各種各樣的表面，使其折射出耀眼的光芒，同時又因為鑽石的稀有和卓越的穩定性，常常被宣傳為“一顆永流傳”。

盡管鑽石是世界上最堅硬的晶體之一，但我們從它的碳鍵結構可以看出，鑽石的内部是有空間可以容納各種雜質的。事實上任何元素都可以通過離子注入引入鑽石，氮是目前寶石中最常見的雜質，是鑽石中黃色和棕色的原因。

硼元素摻雜在碳原子之間，可以使其顯示出藍色，著名的就是因為其中含有微量硼雜質。

還有一些鑽石因為其在形成的過程中不均勻地摻雜了各種其它物質，導緻其顯示出形态各異的花紋，大部分失去了寶石的價值，也有極少數因此身價倍增。比如“錦鯉鑽石”：

與珠寶鑽石相比，絕大多數開采出來的鑽石因為有雜質被用作工業用途。世界上大約每年有27噸以上的開采鑽石被用于工業，占全球鑽石總開采量的80%以上。同時，人們還利用對石墨加壓的辦法大量生産人造金剛石用于生産和加工，每年人工合成的金剛石超過100噸。

鑽石有極高的硬度和導熱性，它是工業上理想的切割和研磨材料，比如被制成金剛石鑽頭、金剛石鋸，它可以用來打磨砂輪，也可以被碾碎做成砂紙來打磨其它東西。與昂貴的寶石相比，這些金剛石真不值什麼錢。

從元素的角度來分析，煤與鑽石是同源的。鑽石是碳的其中一種同素異形體，它最主要的構成元素就是碳原子。煤不是碳，煤是混合物，碳是其最主要組成部分，也是煤炭中最有價值的部分。

從成分上區分，煤炭大緻以其含碳量大緻分為褐煤、煙煤和無煙煤。

無煙煤含有90%以上的碳

在地球形成的初期，地球大氣是沒有氧氣沒有氮氣也沒有二氧化碳的，那時候圍繞在地球表層的是氫氣、甲烷、氨和水蒸氣。之後不斷有巨大小行星的撞擊，強烈的地質活動和火山噴發将地下的氮氣、一氧化碳和二氧化碳釋放了出來，大氣中開始積聚了大量的碳。這些碳的大部分溶解在水中形成碳酸鹽，其餘成為地球大氣的一部分，同時，二氧化碳作為優良的溫室氣體，使地球保持了适合生命形成的溫度。随着地球上第一批厭氧細菌和藻類的形成，它們大量吸收空氣中的二氧化碳，将碳固定在地球表面，同時向大氣層釋放氧氣。随着大氣中的二氧化碳逐步減少、氧氣越來越多，地球開始越來越适合動植物的生長。

從距今6.5億年前開始，海洋中大量的藻類和細菌死亡後逐漸沉積，随着地質年代的變遷形成今天的石油。陸地上繁茂的植物在死亡之後也慢慢堆積，将它們從空氣中吸收的碳固定在地面。

石炭紀繁茂的森林

地球上植物最繁茂的時期是開始于3.6億年前的石炭紀，大量植物殘骸堆積形成今天豐富的煤炭儲存。這個時期煤層豐厚的一個主要原因是因為分解植物的細菌還沒有進化完善，它們還沒有進化出可以有效消化抗性酚醛木質素聚合物和蠟質木栓質聚合物的酶。煤層形成的另一個因素是這個時期地球的地殼活動十分活躍，大量動植物殘骸被迅速深埋于地下，它們被壓縮，在地底的高溫和高壓下，死植物被緩慢地轉化為煤，植物中的碳得以保存在煤中。

煤礦綜采設備正在挖煤

煙煤的含碳量大約為60%~80%；無煙煤的含碳量則高達92%~98%，它是一種煤化程度很高的燃料。

煙煤比較容易點燃，無煙煤很難點燃，而點燃石墨則是件非常困難的事，這決定了它們不同的用途。

同樣是碳，與昂貴的鑽石相比，煤炭卻是低賤的，它們看起來肮髒，不值錢，隻配拿來燒掉。但煤炭卻是極重要的戰略資源。

一名煤礦工人在井下作業

煤炭是世界上開采量最大的礦物之一，2017年全球煤炭開采量達75.5億噸，世界探明煤炭可開采儲量超過1萬億噸，這都是極驚人的數字，也足以證明煤炭在全球經濟和人類發展中的重要地位。

煤炭是一種重要的化石燃料，大部分的煤炭都作為燃料用于發電、取暖和生火做飯等能源消耗，2017年全球一次能源消耗中煤炭占了28%。

早在新石器時代，我們的祖先就學會了燃燒煤炭；而在公元前1000年，東北地區撫順礦的煤就被用來冶煉銅；公元13世紀，馬可波羅就在他的遊記中說，人們因為燃燒煤炭，“每個星期可以洗三次熱水澡”；《天工開物》裡也有介紹人們是如何從地下采煤和排放瓦斯的。

《天工開物》采煤圖

煤的能量密度（熱值）大約為24 MJ/kg，相當于每公斤約6.7千瓦時。大部分煤炭被用作燃煤電廠燃燒發電，發電廠通過燃燒煤炭加熱水，再利用水蒸汽推動蒸汽輪機發電，電廠的燃煤發電效率大約為40%左右，而我們泰州目前最先進的超超臨界二次再熱燃煤發電機組設計發電煤耗256.2克∕千瓦時，是熱效率最高的燃煤機組。

低硫煤炭在被煉成焦炭之後，是一種重要的冶煉原料。煤炭在煉焦爐的烘箱中被隔絕氧氣加熱到1000℃以上，其中大部分硫、磷和煤焦油等有機揮發性物質被去除，剩下多孔海綿狀的碳和灰分，這就是焦炭。

煤炭不僅可以用于燃料、發電和金屬冶煉，随着科學技術的發展，煤炭還可以通過液化和氣化生産出更多的化工産品，用于國民經濟的各個方面，強化我們的經濟，豐富民衆的生活。

煤炭與鑽石的主要成分都是碳，由于它們産生的條件不同，它們在地球的儲量差異巨大。

煤炭廣泛存在于地殼淺層，有些巨型煤礦甚至是露天的，開采它們非常方便；但鑽石産自數百公裡深處的地幔，隻是由于火山運動才有少量被帶到地表，因此鑽石的開采數量極少。

石墨是碳的一種同素異形體，為灰黑色，不透明固體，密度為2.25克每立方厘米，熔點為3652℃，沸點4827℃。化學性質穩定，耐腐蝕，同酸、堿等藥劑不易發生反應。687℃時在氧氣中燃燒生成二氧化碳。可被強氧化劑如濃硝酸、高錳酸鉀等氧化。可用作抗磨劑、潤滑劑，高純度石墨用作原子反應堆中的中子減速劑，還可用于制造坩埚、電極、電刷、幹電池、石墨纖維、換熱器、冷卻器、電弧爐、弧光燈、鉛筆的筆芯等。

石墨在極高的溫度和壓力下會變成鑽石。研究表明，大多數天然鑽石的年齡介于10億至35億年之間，它們形成于地球地幔150至250公裡深度，少數甚至來自800公裡深處。在高壓和高溫下，含碳化合物中大部分的礦物雜質一點一點地被擠壓出去形成石墨，石墨的原子排列發生變化，變成鑽石，并最終經由火山噴發帶到地面。

石墨碳鍵改變的過程

石墨其實也是紅極一時的石墨烯的制作原材料，石墨烯被廣泛認為是21世紀的“神奇材料”，它的起源并不引人注目。這種二維材料最早于2004年問世，當時曼徹斯特大學(University of Manchester)的兩位教授使用透明膠帶從一塊石墨上剝下石墨烯薄片。

這種材料是碳的結晶同素異形體，與鑽石和石墨具有相同的特性。簡單地說，這三個碳原子都是由碳原子以不同的方式結合在一起構成的。例如，石墨由六角形晶格中的碳原子結合而成，而石墨烯則由單片石墨構成。

石墨烯

正如《衛報》所解釋的那樣，石墨烯令人印象深刻的一系列特性包括:導電性能優于銅，不透氣性好，強度是鋼的200倍，但重量是鋼的6倍，而且“幾乎完全透明，因為它隻吸收2%的光”。此外，“可以在其表面添加化學成分來改變其性質。”曼徹斯特大學在解釋這些特性如何發揮作用時指出，石墨烯正在許多行業取得進展，比如交通、醫藥、電子、能源、國防和海水淡化。

石墨一直是現代工業與軍工發展不可或缺的重要戰略資源，不僅應用于耐火材料、電極電刷、鉛筆、鑄造、密封、潤滑等傳統工業領域，更是高端裝備制造、新能源、新材料等戰略性新興産業及核電領域的關鍵資源，被譽為“21世紀支撐高新技術發展的戰略資源”，素有“黑金”美譽。随着技術發展和應用領域的不斷拓展，石墨資源的戰略地位越來越受到重視：2010年，歐盟将石墨列為14種緊缺礦産資源之一；2013年，美國将石墨列為難以獲得的戰略性礦産之一；2016年，中國将晶質石墨列入戰略性礦産目錄。

我國是世界石墨資源大國，第一大石墨生産國、出口國和消費國，但長期以來，我國石墨加工技術落後，大量出口低附加值産品，高端深加工産品主要依賴進口，開發利用粗放，資源優勢未能轉化為技術和經濟優勢。未來，随着我國石墨資源戰略地位凸顯，科學利用和保護天然石墨資源，開發深加工技術和發展高端産品将成為石墨産業發展的必然趨勢。

煤炭和石墨廣泛應用于我們的生産和生活，人類文明的發展進步與煤炭的開采及利用是分不開的，從社會發展的角度看，無疑煤炭和石墨比鑽石有更大的價值。

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