元素周期表系列：第6号元素——碳元素
元素周期表系列：第6号元素——碳元素
曹逊
博士科普元素团队
碳的命名来自于拉丁语“木炭”之意。拉丁语中“煤”称为Carbo，元素碳的英文名称Carbon就是由此而来的。据美国《化学文摘》对全世界400多万的化合物进行统计，发现其中不含碳的化合物仅占10万种左右。
碳是什么样的一种元素呢？
博科小答：碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族，碳的熔点为3500 ℃，沸点为4827 ℃，不溶于水。碳以多种形式广泛存在与生物体内与地壳之中，人们在很早之前就开始认识并利用碳单质。碳的一系列化合物（有机物）构成了生命的基本组成。碳能结合其他元素形成大量的化合物，成为生物与商业上的重要组成分子。与碳相关的无数化合物和我们日常生活十分密切，比如香水、塑料、尼龙、汽油、鞋油等。
图1 无定形碳的外观形貌
碳元素的发现历程是怎样的？
博科小答：早在史前阶段，碳就被发现。人类最早使用的碳是炭黑与煤。在公元前2500年左右，钻石开始在中国被熟知，同时碳的另一种形式——煤，在罗马时代被逐步使用。1722年，科学家证明铁能够吸收一些物质从而转换成钢，并证实这种物质就是现在所熟知的碳。在1772年，安东尼拉瓦锡证实钻石是碳的一种存在形式，并发现等质量的钻石与煤燃烧所生成的二氧化碳是等量的。在1786年，法国两位化学家通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨进行氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。在1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。
自然界中的碳循环是怎样形成的？
博科小答：地球上的碳总量是一个常数，碳在自然界中的流动变化形成了碳循环。植物从外部环境吸收二氧化碳用来贮存生物质能，例如碳呼吸和卡尔文循环。一些生物可以通过进食将含碳化合物转移到自己体内，部分碳元素会以二氧化碳的形式被动物所呼出。一些二氧化碳又会溶解于海洋之中，而死去的动植物又会经过长时间的作用形成煤、石油以及天然气，然后又经过燃烧释放出碳。
碳的同素异形体有哪些？
博科小答：碳的同素异形体包括金刚石、石墨、足球烯（富勒烯）、碳气凝胶、碳纳米泡沫、石墨烯等。其中，金刚石是最为坚固的一种碳结构，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密结合形成网状晶体结构，最终成为硬度大但活性差的固体，可以用作装饰品以及钻头材料等。石墨的形态与透明坚硬的金刚石完全不同，它是一种深灰色有金属光泽的细鳞片状固体，可用于制作铅笔、电极、电车缆线等。足球烯一个分子中含有60个碳原子，构成32个面：20个正六边形及12个正五边形。石墨烯是一种二维晶体，是将片层结构的石墨剥离成单层后所得到的只有一个碳原子厚度的单层状晶体。
石墨烯是怎样一种神奇的材料？
博科小答：石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂窝晶格的网络状二维纳米材料。得益于其物理结构、石墨烯具有优异的光学、力学、电学特性，在能源、生物医药、纳米材料、药物递送等领域有着广泛的应用前景。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用机械剥离的方法将石墨分离制备出石墨烯，并以此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯可以通过机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法以及化学气相沉积法进行制备。石墨烯材料优异的物化性能与潜在的应用价值使得国内外不同领域研究者们尝试着不同的方法制备高质量且大面积的石墨烯材料，通过石墨烯制备工艺的不断优化与改进，降低石墨烯制备成本使得其逐步走向产业化。
图2 石墨烯结构图
碳是否具有毒性？
博科小答：对于人体而言，纯碳具有极低的毒性，甚至可以在一定的情况下以石墨或者活性炭的形式被人体进行安全地摄取。但是碳可以抵抗人体消化道内的酸性物质，在人体组织内可能无限期存留。然而，吸入大量煤炭粉尘或烟尘确实是危险的，他们会进入肺部刺激肺组织，并引起充血性肺病。此外，金刚石的磨粉被误食或者吸入也会对人体造成损坏。
中国碳排放面临着怎样的挑战？
博科小答：随着我国的飞速发展，工业化、城镇化的进度逐渐加快，化石燃料的消耗迅速攀升，环境问题日益严重，温室气体二氧化碳气体排放量不断上升。能源与环境问题已成为制约我国经济与社会发展的主要因素。同时，受到来自国际碳减排的压力，我国政府承诺在2005年的基础上，到2020年碳排放强度要下降40%-45%，非化石能源占一次能源消费的比重要上升至15%左右，森林蓄积量要增加13亿立方米。这对我国来说是一个非常大的挑战。
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参考文献
1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition.
2百度百科 碳元素
3百度百科 石墨烯
4王雅楠等，基于GWR模型中国碳排放空间差异研究，《中国人口·资源与环境》，2016，26（2）.