目前减碳成了热门话题，但可别误读，碳可是地球上生命的关键元素

目前“减碳”成了热门话题，碳好像成了一只人人喊打的过街老鼠。可是要搞清楚，这里所减的碳是指导致气候变化的二氧化碳（CO2），千万不要误解为逢碳必减，因为碳对我们人类很重要，而且适量的二氧化碳也是我们人类必需的，要减的是过量的CO2。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能够形成生命的最核心要素，没有碳，就没有生命。碳与我们日常生活息息相关。在人类的发展历史上，碳不仅是食物的来源、能量的来源，更是材料的来源。

原英国石油（BP）公司首席执行官约翰.布朗勋爵写了一本书，叫《七个改变了世界的元素》。这七个元素分别是铁、碳、金、银、铀、钛和硅。在布朗勋爵眼里，碳如钢铁，是帮助人类建成了当今现代社会的“七大元素”之一，功不可没。下面就来说说“七大元素”之一的碳。

碳是一种不可思议的元素。以一种方式排列碳原子，它们就会变成柔软柔韧的石墨。换一种方式重新排列，你会得到金刚石，世界上最坚硬的材料之一。

碳也是地球上大多数生命的关键成分; 制造第一个纹身的颜料; 石墨烯是技术奇迹的基础，这种材料比钢铁更坚固，比橡胶更柔韧。

碳以碳-12的形式在自然界存在，它几乎构成了宇宙中99%的碳; 另外碳-13约占1%; 还有碳-14，它只占碳总量的很小一部分，但在测定有机物体的年代方面非常重要。

1）碳的基本信息

• 原子序数(原子核中的质子数):6
• 原子符号(元素周期表上的):C
• 原子量(原子的平均质量):12.0107
• 密度:每立方厘米2.2670克
• 室温相态: 固体
• 熔点:6422华氏度(3550摄氏度)
• 沸点:6872 F (3800 C)(升华)
• 同位素总数:15个;两种稳定的同位素，即同一种元素的原子具有不同数量的中子。
• 最常见的同位素: 碳-12(6个质子、6个中子和6个电子)和碳-13 (6个质子、7个中子和6个电子)。

2）碳是如何形成的:从恒星到生命

碳是在恒星内部产生的，尽管它不是在大爆炸中产生的。根据Swinburne天体物理和超级计算中心的资料，它在恒星的内部通过一个被称为三重alpha过程的反应形成。在这个过程中，三个氦核发生聚变。当一颗大质量恒星变成超新星时，碳会散射，并能被合并成下一代恒星和行星。

在燃烧了大部分氢的老星星中，剩余的氦会聚集起来。每个氦原子核有两个质子和两个中子。在超过1亿开尔文(179,999,540.6华氏度)的高温下，氦核开始聚变，首先成对形成不稳定的4质子铍核，最终，当足够多的铍核出现时，变成一个铍和一个氦。最后的结果是: 原子中有6个质子和6个中子。

碳是一个模式制造者。它可以与自己连接，形成长而有弹性的链，称为聚合物。由于它的电子排列，它还可以与多达四个其他原子结合。原子被排列成原子核，原子核被电子云包围，电子在离原子核不同距离的地方轰鸣（zinging）。根据加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)资料，化学家将这些距离视为壳层，并通过每个壳层的内容来定义原子的属性。碳有两个电子层，第一个电子层有两个电子，第二个电子层有八个可能的电子空间中的四个。当原子成键时，它们在最外层共用电子。碳的最外层有四个空的空间，使它能与其他四个原子结合(它还可以通过形成双键和三键稳定地与更少的原子结合)。

碳是一种非金属，它可以与自身和许多其他化学元素结合。据化学解释网站，近1000万种碳化合物已经被发现，科学家估计，碳是95%的已知碳化合物的基石。因为它比其他任何元素都能形成更多的化合物，所以被称为“元素之王”。由于碳具有与许多其他元素结合的惊人能力，这是它对几乎所有生命都至关重要的主要原因。

碳元素的发现已经湮没在历史长河中，这种元素在史前人类以木炭的形式被发现。根据世界煤炭协会(world coal Association)的数据，碳作为煤炭仍然是全球主要的燃料来源，提供了世界约37%的电力。煤炭也是钢铁生产的关键成分，而碳的另一种形式石墨是一种常见的工业润滑剂。

碳-14是一种碳的放射性同位素，考古学家使用它来确定物体和遗骸的年代。碳-14自然存在于大气中。根据爱荷华州立大学无损评估中心，植物在呼吸作用中吸收它，在呼吸作用中，它们将光合作用中产生的糖转化为它们用来生长和维持其他过程的能量。动物通过吃植物或其他以植物为食的动物将碳-14吸收到体内。据亚利桑那大学，碳-14有5,730年的半衰期，这意味着在那之后，样本中一半的碳-14会衰变。

因为有机体死后会停止吸收碳-14，所以科学家可以用碳-14的半衰期作为一种时钟来测量有机体死后的时间。这种方法适用于曾经有生命的生物体，包括由木头或其他植物材料制成的物体。

3）我们所知的碳

• 碳是有机化学的基础，因为它存在于所有生物体内。最简单的有机分子由碳和氢化学键组成。其他常见的有机物还包括氧、氮、磷和硫。
• 单质碳可以是最硬的一种物质(金刚石)，也可以是最软的一种物质(石墨)。两者唯一的区别是它们的晶体结构不同。
• 碳化合物有无限的用途。就其元素形式而言，钻石是一种宝石，用于钻孔/切割; 石墨可用作铅笔的润滑剂和防锈; 而木炭是用来去除毒素、味道和气味的。同位素碳-14用于放射性碳年代测定。
• 纯碳在自然界中是自由存在的，从史前时代就已为人所知。虽然自古以来已知的大多数元素只存在于一个同素异形体中，纯碳形成石墨、金刚石和无定形碳(烟灰)。这些表单看起来非常不同，显示的属性也不同。例如，石墨是导电体，而金刚石是绝缘体。其他形式的碳包括富勒烯、石墨烯、碳纳米泡沫、玻璃碳和q -碳(具有磁性和荧光)。
• 碳的英文“carbon”这个名字的起源来自拉丁词carbo，意思是木炭。德语和法语中表示木炭的词是相似的。
• 纯碳被认为是无毒的，尽管吸入像烟灰这样的细颗粒物会损害肺组织。石墨和木炭被认为是可以安全食用的。虽然碳纳米颗粒对人类无害，但对果蝇却是致命的。
• 碳是宇宙中第四丰富的元素(按质量计算，氢、氦和氧的含量更高)。它是地壳中含量第15丰富的元素。
• 根据《地球百科全书》，碳在地球岩石圈(地壳和外地幔)的重量中占0.032%。据法国拉萨尔（La Salle）大学的地质学家David Smith粗略估计，岩石圈的重量是300,000,000,000,000,000,000(或3*10^23)磅，那么岩石圈中碳的重量大约是10,560,000,000,000,000,000(或1.056*10^22)磅。
• 根据美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的数据，二氧化碳(CO2)约占地球大气的0.04%。比工业时代之前有所增加，主要因为燃烧化石燃料的原因。
• 一氧化碳(CO)是一种由化石燃料燃烧产生的无味气体。一氧化碳通过与血液中的携氧化合物血红蛋白结合而致人死亡。根据2001年发表在《皇家医学学会杂志》上的一篇论文，一氧化碳与血红蛋白的结合强度是氧与血红蛋白的结合强度的210倍，有效地挤出氧气并使组织窒息。
• 钻石是碳元素中最炫的一种物质，它是在地壳深处的巨大压力下形成的。据皇家收藏信托(Royal Collection Trust)称，迄今为止发现的最大的宝石级钻石是1905年发现的库里南钻石(Cullinan diamond)。这颗未切割的钻石重3106.75克拉。从这颗钻石上切割出的最大的宝石，重达530.2克拉，是英国王冠上的一颗宝石，被称为非洲之星。
• 根据2009年发表在《考古科学杂志》上的一项研究，在阿尔卑斯山发现的一具5300年前的冰冻尸体Ötzi的纹身是用碳做的。在皮肤上做一个小切口，然后用木炭擦拭，这可能是针灸治疗的一部分。

4）正在进行的碳研究

碳是一种长期研究的元素，但这并不意味着没有更多的元素可以发现。事实上，与我们的史前祖先燃烧木炭元素相同的碳元素可能是下一代科技材料的关键。

1985年，德克萨斯州莱斯大学的Rick Smalley和Robert Curl及其同事发现了一种新的碳形式。根据美国化学学会的资料，通过用激光汽化石墨，科学家们创造了一种由纯碳组成的神秘的新分子。这个分子原来是一个由60个碳原子组成的足球形状的球体。研究小组将他们的发现命名为巴克敏斯特富勒烯，以一位设计了测地圆顶的建筑师的名字命名。这种分子现在被更普遍地称为“巴基球”。发现它的研究人员获得了1996年的诺贝尔化学奖。

根据2009年发表在《化学信息与建模杂志》上的一项研究，人们发现巴克球可以抑制艾滋病毒的传播; 医学研究人员正致力于将药物一个分子接一个分子地附着在巴基球上，以便将药物直接输送到体内的感染或肿瘤部位 ; 这包括哥伦比亚大学、赖斯大学和其他大学的研究。

2021年，中国燕山大学田永军（Yongjun Tian）领导的研究人员发现，通过压缩巴基球，他们可以制造出迄今为止所见过的最坚硬的非晶体材料，几乎和钻石一样坚硬。

其他被称为富勒烯的新型纯碳分子也被发现，包括椭圆形的“巴克耶蛋”（buckyeggs)和具有惊人导电性能的碳纳米管。碳化学的热度仍然足以让人获得诺贝尔奖: 2010年，来自日本和美国的研究人员因研究出如何使用钯原子将碳原子连接在一起而获奖，据诺贝尔基金会(Nobel Foundation)称，这是一种能够制造大型复杂碳分子的方法。

科学家和工程师们正在利用这些碳纳米材料来制造直接来自科幻小说的材料。《纳米快报》2010年的一篇论文报道了一种柔性、导电纺织品的发明，这种纺织品浸入碳纳米管“墨水”中，可用于储存能量，或许为可穿戴电池、太阳能电池和其他电子产品铺平了道路。这种墨水现在可以从化学供应公司买到。

然而，如今碳研究是最热门的研究领域之一，可能涉及到“神奇材料”石墨烯。石墨烯是一层只有一个原子厚的碳。它是已知的最坚固的材料，同时仍具有超轻和柔韧性。而且它的导电性比铜好。科学家们仍在发现石墨烯的新特性。例如，2020年，研究人员在《自然物理学》杂志上报告称，通过正确的方式堆叠石墨烯，他们可以使其具有磁性。

大规模生产石墨烯是一个挑战，尽管研究人员在2014年4月报告称，他们可以只使用厨房搅拌机就能大量生产。2020年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家开发了一个数学模型来指导大规模生产。如果科学家们能够很容易地制造出大量石墨烯，这种材料将在科技领域发挥巨大的作用。想象一下，具有柔韧性、不易破碎、而且恰好又薄如纸的小玩意儿。事实上，碳从木炭和钻石发展到现在已经有了很长的一段路。

5）碳纳米管

碳纳米管(CNT)是一种由碳原子构成的微小的吸管状结构。这些管子在各种电子、磁性和机械技术中都非常有用。这些管子的直径非常小，它们的测量单位是纳米，一纳米是一米的十亿分之一，大约比人类头发还细1万倍。

碳纳米管的强度至少是钢的100倍，但重量只有钢的六分之一，所以它们可以增加几乎任何材料的强度，据理解纳米网的报道，在导电性和导热性方面比铜更好。

纳米技术正被应用于将海水转化为饮用水的研究。在一项新的研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们开发了一种碳纳米管工艺，可以比传统技术更有效地从海水中提取盐。

例如，传统的海水淡化工艺在高压下泵入海水，使其通过反渗透膜。然后，这些膜排斥所有大颗粒，包括盐，只允许干净的水通过。然而，据LLNL说，这些海水淡化厂非常昂贵，只能处理一个县水需求的大约10%。

在碳纳米管研究中，科学家们模拟了生物膜的结构方式: 本质上是膜内部有孔的基质。他们使用的纳米管特别小，比人的头发还要细5万倍以上。这些微小的纳米管可以容纳非常高的水通量，但又太窄了，一次只能有一个水分子通过。最重要的是，盐离子太大了，无法穿过管子。

本文主要据Stephanie Pappas “Carbon: Facts about an element that is a key ingredient for life on Earth”和Anne Marie Helmenstine“10 Facts About Carbon (Atomic Number 6 or C)”编译。