碳
特性
經(jīng)理論推測的碳相圖
碳的各種同素異形體的物理特性差異極大,例如鉆石是最堅硬的天然物質(zhì),而石墨則是最柔軟的物質(zhì)之一。碳可以和眾多較小原子(包括碳原子)產(chǎn)生多個共價鍵,因此碳化合物的總數(shù)是各個元素中最高的,已發(fā)現(xiàn)的有近一千萬種,占所有已知化合物的絕大多數(shù)。 碳的升華點是所有元素中最高的。在標準大氣壓下,碳沒有熔點,因為它的三相點位于10.8 ± 0.2 MPa、4,600 ± 300 K(約4,330 °C), 而是會在3,900 K左右升華。 因此所有碳同素異形體的固體溫度上限比熔點最高的金屬還要高,如鎢和釕。雖然碳能夠進行氧化反應(yīng),但它的耐氧化性比鐵和銅等元素都強。
碳化合物是地球上所有生物的化學基礎(chǔ)。碳氮氧循環(huán)反應(yīng)是太陽以及其他恒星內(nèi)部部分能量的來源。雖然碳擁有上千萬種化合物,但碳在一般條件下的化學性質(zhì)并不活躍。在標準溫度和壓力下,碳能夠抵抗幾乎所有的氧化劑,并只會與最強的氧化劑反應(yīng)。無論是硫酸、鹽酸、氯還是任何堿,都無法侵蝕碳。在高溫底下,碳會和氧反應(yīng)形成碳氧化物(CO、 CO 2 ),也會把金屬氧化物還原為純金屬,例如將氧化鐵還原為游離態(tài)鐵。這一放熱反應(yīng)應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)中,用以控制鋼鐵的碳含量:
碳能和某些金屬在高溫下形成碳化物,如鋼鐵中的Fe 3 C及用作制造堅硬鉆頭磨料的碳化鎢等。
截至2009年,石墨烯是所有已知物質(zhì)中最堅固的。 然而從石墨中分離出石墨烯的過程需要更進一步的完善才能在工業(yè)中應(yīng)用。
碳的各種同素異形體有著兩極化的異常特性:
同素異形體
單原子碳的存活時間極短,因此碳一般以多原子形態(tài)穩(wěn)定存在,這些碳原子的不同排布方式稱為同素異形體。最常見的三種碳同素異形體為無定形碳、石墨及鉆石。富勒烯曾經(jīng)是新發(fā)現(xiàn)的奇異物質(zhì),但今天已大量生產(chǎn),受到了科學家的深入研究。富勒烯共包括巴基球、 碳納米管、 碳納米芽 及碳納米纖維等。 其他同素異形體還有:藍絲黛爾石、 玻璃碳、 碳納米泡沫 及直鏈乙炔碳等等。
[(雙層)石墨的旋轉(zhuǎn)視圖。
C 60 的旋轉(zhuǎn)視圖
碳的無定形體是碳原子以非晶體形式不規(guī)則排列時形成的玻璃態(tài)物質(zhì),也就是不具備宏觀晶體結(jié)構(gòu)的石墨。無定形碳呈粉末狀,是煤炭、煤煙(炭黑)及活性炭的主要成分。在正常壓力下,碳以石墨的形式存在,其中每個碳原子都和另外三個碳原子鍵合,形成平面六邊形環(huán)平鋪結(jié)構(gòu)。 這一種網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)能夠?qū)盈B起來,每層間有弱范德華力。因此石墨性質(zhì)柔軟,也可作潤滑劑(因為層與層間能輕易平行滑動)。由于石墨中每個碳原子都有一顆外層離域電子,共同形成遍布整個平面的π-云,所以電能順著石墨的每個共價鍵合平面上傳導(dǎo)。因此碳的整體電導(dǎo)率低于大部分金屬。由于含有離域電子,因此在標準條件下石墨比鉆石更加穩(wěn)定。
碳的一些同素異形體結(jié)構(gòu):鉆石(a)、石墨(b)、藍絲黛爾石、富勒烯(C 60 (d)、C 540 (e)、C 70 (f))無定形碳(g)、碳納米管(h)
在極高壓力下,碳會形成原子排布更緊密的鉆石,其密度幾乎為石墨的兩倍。鉆石中的每個碳原子以四面體狀與另外四個碳原子鍵合,形成一個三維密鋪網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。鉆石晶體屬立方晶系與硅和鍺相同。由于碳-碳共價鍵非常強,因此鉆石是最抗刮損的天然材質(zhì)。雖然民間有“鉆石是永恒的”一說,但實際上鉆石在標準環(huán)境下并不具備熱力學穩(wěn)定性,而且會轉(zhuǎn)變?yōu)槭?然而由于轉(zhuǎn)變需要較高的活化能,所以該過程極為緩慢,肉眼無法觀察。碳在某些情況下會結(jié)晶成藍絲黛爾石。這一形態(tài)為六方晶體,所有碳原子間都以共價鍵鍵合。因此藍絲黛爾石與鉆石特性相近。
富勒烯的結(jié)構(gòu)與石墨相似,但除了六角碳原子環(huán)以外,它還含有五角環(huán)和七角環(huán)。這些環(huán)鑲嵌成平面,卷縮成球體、橢球體和圓柱體等形狀。各種富勒烯(包括巴基球、碳納米管和碳納米芽)的特性仍尚待研究,屬于納米材料科學的范疇?!案焕障保‵ullerene)和“巴基球”(Buckyball)是以推廣網(wǎng)格球頂作為建筑結(jié)構(gòu)的建筑師巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)命名的,而網(wǎng)格球頂與富勒烯的幾何結(jié)構(gòu)相似。巴基球是較大的純碳單質(zhì)分子,每個碳原子與三個碳原子鍵合,形成橢球體(最簡單的一種為足球形的C 60 ,亦即巴克敏斯特富勒烯)。 碳納米管則是碳原子六角形密鋪平面所卷縮而成的管狀(圓柱體)分子。 2007年,科學家首次宣布發(fā)現(xiàn)碳納米芽,一種巴基球和碳納米管的混合體(巴基球鍵合在碳納米管壁上)。碳納米芽同時具有巴基球和碳納米管的屬性。
其他同素異形體還有碳納米泡沫,發(fā)現(xiàn)于1997年,具鐵磁性。碳納米泡沫由眾多碳原子低密度聚集而成,每個原子與三個碳原子鍵合,形成由六角或七角環(huán)串聯(lián)而成的松散三維網(wǎng)格。它是已知最輕的固體之一,密度約為2 kg/m 。 同樣,玻璃碳也含有大量的內(nèi)部氣孔。 但與普通石墨不同,其每一層并不平行層疊,而是以相對隨機的方式排布。直鏈乙炔碳 的化學結(jié)構(gòu)為 -(C:::C) n -。這一分子呈直鏈型,具有 sp 雜化軌道,是一種在三鍵和單鍵之間交替的聚合物。其楊氏模量是世界上最堅硬材料鉆石的40倍,因此在納米科技中有相當?shù)难芯靠臻g。
存量
石墨礦石
原始鉆石晶體
1990年海面水溶無機碳存量(取自全球海洋數(shù)據(jù)分析計劃)
碳在全宇宙各元素中總質(zhì)量排列第四,位于氫、氦和氧之后。碳大量存在于彗星、大部分行星大氣層、太陽以及其他恒星中。一些隕石含有太陽系還處于原行星盤時所遺留下來的微鉆石。隕石撞擊時的巨大溫度和壓力也會在撞擊坑處形成微鉆石。
碳與氧結(jié)合成二氧化碳,大量存在于地球大氣中(當中約有8100億噸碳)并溶解在所有水體中(約有36萬億噸碳)。整個生物圈共含有約1.9萬億噸碳。碳氫化合物(如煤、石油和天然氣)同樣含有碳:煤礦儲備共有約9000億噸碳,石油儲備有約1500億噸碳,而天然氣則有約1050億噸碳,但仍不包括頁巖氣等非常規(guī)天然氣源(含有5400億噸碳)。 碳也封存在地球兩極和海底的甲烷水合物中,碳含量估計共有5千億至2萬5千億噸, 另有研究估計含量為3萬億噸。 過去的碳氫化合物含量比今天要多。從1751年至2008年有大約3470億噸碳在化石燃料燃燒過程中以二氧化碳的形式釋放到大氣層中。
碳酸鹽巖石(石灰石、白云石、大理石等等)中含有大量的碳。最大的碳礦石來源是煤,占化石燃料的80%。
若以個別同素異形體計算,則石墨主要位于美國(以紐約州及德克薩斯州為主)、俄羅斯、墨西哥、格陵蘭和印度。天然鉆石主要出現(xiàn)在古火山的“頸部管道”部分的金伯利巖內(nèi)。大部分鉆石礦藏都位于非洲,其中以南非、納米比亞、博茨瓦納、剛果共和國及塞拉里昂居多。其他礦藏地點包括美國阿肯色州、加拿大、俄羅斯北極圈內(nèi)、巴西以及西澳洲。好望角對出的洋底也有進行鉆石的開采。雖然自然界中存在著不少鉆石,但是在美國有30%的工業(yè)用鉆石都是人工合成的。
宇宙射線會在海拔9至15公里的對流層和平流層處產(chǎn)生碳-14。 這一反應(yīng)中,熱中子撞擊氮-14原子核,形成碳-14原子核及一顆質(zhì)子。
同位素
所有碳同位素的原子都有6顆質(zhì)子,但中子數(shù)各異(從2到16顆不等)。碳有兩個自然存在的穩(wěn)定同位素: 碳-12( C)占地球上碳的98.93%,而碳-13( C)則占剩余的1.07%。 生物體中 C同位素的比率更高,因為生物化學反應(yīng)會選擇性地消除 C。 1961年,國際純粹與應(yīng)用化合會(IUPAC)決定以碳-12同位素作為原子量單位的定義標準。 核磁共振所探測的就是 C。
碳-14( C)是自然產(chǎn)生的放射性同位素,在地球上的豐度為一萬億分之一(0.0000000001%),主要存在于大氣層和地表礦藏中,如泥炭及其他有機物質(zhì)等。 碳-14以0.158MeV能量進行β ? 衰變。由于半衰期只有5730年,所以該同位素在古老巖石中幾乎絕跡,但會在大氣高層(低平流層及高對流層)中經(jīng)宇宙射線和氮間的反應(yīng)而不斷產(chǎn)生。 C在大氣層及生物體中的豐度幾乎守恒,但在生物體死亡后有規(guī)律地衰減,這就是放射性碳定年法的原理。該定年法可測量年齡在4萬年以下的含碳物質(zhì)。
碳有15種已知同位素,其中存活時間最短的是 C,它會進行質(zhì)子發(fā)射和α衰變,半衰期為1.98739x10 秒。 同位素 C有核暈效應(yīng),即其半徑比密度均勻的正常球體原子核高得多。
星體內(nèi)部核合成
碳原子核的合成需要在巨星或超巨星內(nèi)部,通過3顆α粒子(氦原子核)幾乎同時互相撞擊而形成,稱為3氦過程。進一步與氫或氦融合后分別產(chǎn)生的鋰-5和鈹-8都很不穩(wěn)定,因此會迅速衰變回較小的原子核。 這種情況下的溫度達到1億開爾文,所需的氦濃度極高。大爆炸后的宇宙迅速膨脹、冷卻,因此大爆炸沒有產(chǎn)生大量的碳元素。赫羅圖中的水平分支恒星則具備3氦過程的所需條件,可以大量生成碳。 超新星爆炸再將這些恒星內(nèi)部的碳散布到太空中,這些含碳的塵埃聚合形成第二代、第三代恒星及其行星。太陽系屬于第三代恒星系統(tǒng),因此地球生物所賴以為生的碳元素,最初也是在巨大恒星的內(nèi)部合成的。 另外,通過碳氮氧循環(huán)過程,碳作為聚變反應(yīng)的催化劑,為恒星提供了絕大部分的能量。
亞毫米波天文學能夠探測到含不同碳同位素的一氧化碳間的循環(huán)轉(zhuǎn)換( CO、 CO及C O),這可用于研究分子云中剛剛形成的恒星。
碳循環(huán)
碳循環(huán)示意圖。黑色數(shù)字表示各種碳礦藏儲備,紫色數(shù)字表示各種儲備間碳的轉(zhuǎn)移,以十億噸碳每年為單位(GtC)。圖中的沉淀物數(shù)字不包括約7000萬GtC的碳酸鹽巖石和油母質(zhì)。
在地球上并不容易發(fā)生元素間的轉(zhuǎn)變,因此地球上的碳基本上是守恒的。任何使用到碳的物理及化學過程都必須從一處取得碳,并在過程后轉(zhuǎn)移到另一處。環(huán)境中碳所遵循的路徑稱為碳循環(huán)。例如,植物從周圍環(huán)境中吸取二氧化碳,用以增加自身質(zhì)量。動物可能會進食一部分植物體,并再以二氧化碳把碳還原到環(huán)境中。整個碳循環(huán)實際上復(fù)雜得多,比如一些二氧化碳會溶解在海洋中,動植物死亡后也會成為石油或煤,再經(jīng)焚燒把碳還原到大氣中。
化合物
有機化合物
最簡單有機化合物甲烷的結(jié)構(gòu)式
碳循環(huán)與有機化合物形成的關(guān)系。植物進行光合作用時,二氧化碳和水會形成有機化合物,再被其他動植物所用。
碳能夠形成串連的C-C鍵,形成很長的分子鏈,這種特性叫做成鏈。碳-碳鍵強而穩(wěn)定。因此,碳可以形成幾乎無限種不同的化合物。其實,碳化合物的數(shù)量比其他所有元素的化合物加起來還要多(除氫以外,因為大部分碳化合物都含有氫)。
最簡單的有機分子是碳氫化合物。這些化合物以一條碳鏈為主干,并有氫原子鍵合在碳鏈上。鏈長、支鏈及官能團等都會影響有機化合物的物理及化學特性。
所有生物體中都含有碳,并以碳作為有機化學的基礎(chǔ)。碳氫化合物在工業(yè)上可用作制冷劑、潤滑劑、溶劑、塑料的制造原料、化石燃料等等。
碳與氧和氫結(jié)合后,會形成眾多必不可少的生物化合物,包括糖、木酯素、甲殼素、醇、脂、酯、類胡蘿卜素、萜烯等等。碳與氮結(jié)合會形成生物堿,再加上硫后會形成抗生素、氨基酸及橡膠等等。最后加入磷,會形成生命所需的化學編碼分子DNA及RNA,以及生物細胞用以傳遞能量的三磷酸腺苷(ATP)。
無機化合物
礦石中的含碳物質(zhì)以及不含氫或氟的碳化合物一般不歸于有機化合物中,但這種定義并不是絕對的。這些無機化合物包括最簡單的各種氧化碳,其中最重要的就是二氧化碳(CO 2 )。二氧化碳曾是古大氣層的主要成分,但今天則只占地球大氣層中的極小一部分。 當二氧化碳溶于水后,會形成碳酸( H 2 CO 3 )。但由于有多個氧原子以單鍵連結(jié)到一顆碳原子上,所以它并不穩(wěn)定。 然而通過這一中繼狀態(tài),因共振而穩(wěn)定的碳酸鹽離子得以形成。一些重要的巖石都含有碳酸鹽,如石灰?guī)r、白堊巖和大理石等。
另一常見的碳氧化物是一氧化碳(CO),一種在不完全燃燒后產(chǎn)生的無色、無味的氣體。一氧化碳分子中有一個三鍵,而且極性非常強,所以會不可逆轉(zhuǎn)地與血紅蛋白分子結(jié)合,使得親和力較低的氧無法經(jīng)血紅蛋白傳輸。 氰化物(CN )的結(jié)構(gòu)相似,但其特性更類似于鹵素離子(擬鹵素)。例如,氰分子((CN) 2 )與雙原子鹵素相似。其他較罕見的氧化物包括二氧化三碳( C 3 O 2 )、 不穩(wěn)定的一氧化二碳(C 2 O)、 三氧化碳(CO 3 ) 環(huán)戊五酮(C 5 O 5 )、 環(huán)己六酮(C 6 O 6 ) 和苯六甲酸酐(C 12 O 9 )。
當碳遇到如鎢等活性較強的金屬時,會形成碳化物(C )或乙炔化物( C 2? 2 ),大大提高這些合金的熔點。碳的電負性為2.5, 所以會主要形成共價鍵。碳有幾種共價鍵晶格化合物,如結(jié)構(gòu)與鉆石相近的碳化硅(SiC)。
金屬有機化合物
金屬有機化合物是任何具有碳-金屬鍵的化合物。金屬有機化合物類別繁多,主要分為烷基金屬化合物(如四乙基鉛)、η 烯烴化合物(如蔡斯鹽)和η 烯丙基化合物(如氯化烯丙基鈀二聚物);含環(huán)戊二烯配位體的茂金屬(如二茂鐵);以及過渡金屬卡賓配合物。金屬羰基配合物有很多種,包括四羰基鎳等。
歷史
年輕時的安東萬·拉瓦錫
中文的“碳”字為形聲字,以石部表示固體非金屬,并以“炭”旁表示碳元素源自木炭或煤炭等物質(zhì)。韓文及日文中碳的漢字寫法均為“炭素”。 在英文中,carbon來自拉丁文的carbo,即煤炭和木炭; 法文中的charbon同樣也是木炭的意思。德文、荷蘭文和丹麥文中碳分別寫作Kohlenstoff、koolstof和kulstof,都是“炭物質(zhì)”的意思。
最早的人類文明就已在煤煙和木炭中發(fā)現(xiàn)了碳。中國人早在公元前2500年就發(fā)現(xiàn)了鉆石。人們在古羅馬時代就開始通過在無氧環(huán)境下加熱木材制造木炭。
卡爾·威廉·舍勒
1722年,瑞尼·瑞歐莫發(fā)現(xiàn)鐵在轉(zhuǎn)變?yōu)殇摰倪^程中會吸收一種物質(zhì),今天人們知道這就是碳。 1772年,安東萬·拉瓦錫證明鉆石是完全由碳組成的。他燃燒了木炭和鉆石,發(fā)現(xiàn)兩者都沒有產(chǎn)生水,而且形成的二氧化碳質(zhì)量相同。 人們曾以為石墨是鉛的一種形態(tài),但卡爾·威廉·舍勒在1779年證明了它和木炭相同,但混有小量鐵,并會經(jīng)硝酸氧化之后釋放二氧化碳。 1786年,法國科學家克勞德·貝托萊、加斯帕·蒙日和沙爾·奧古斯丁·范德蒙以拉瓦錫對鉆石所用的方法證明,石墨同樣主要由碳組成。 石墨在燃燒后同樣留下了鐵,因此他們以為鐵在石墨結(jié)構(gòu)中是必要的。拉瓦錫在他1789年的教科書中將碳列為化學元素。
1985年,科學家發(fā)現(xiàn)了一種新的碳單質(zhì)富勒烯, 其中包括巴基球、碳納米管等等。 發(fā)現(xiàn)者羅伯特·柯爾、哈羅德·克羅托和理查德·斯莫利因此獲得了1996年的諾貝爾化學獎。 其他奇特的碳同素異形體也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了,例如玻璃碳。
生產(chǎn)
石墨
大量天然石墨礦藏分布在世界各地,其中主要出產(chǎn)國為中國、印度、巴西和朝鮮。石墨礦石都是變質(zhì)巖,與石英、片巖中的云母和長石、片麻巖及變質(zhì)砂巖和石灰?guī)r一同出現(xiàn),呈透鏡狀或葉脈狀,厚度可達1米多。位于英國坎伯蘭博羅戴爾(Borrowdale)的石墨礦藏巨大且純度高,直到19世紀,人們都直接鋸下石墨塊,削成條狀后包在木條中,作鉛筆出售。今天,要從較小的石墨礦中提取石墨,需要把礦石壓碎后,用水浮出較輕的石墨。
天然石墨以三種形式出現(xiàn):無定形態(tài)、薄片狀或結(jié)晶薄片狀以及葉脈狀或塊狀。無定形石墨的質(zhì)量最低,但也最常見,一般被用于生產(chǎn)價值最低的產(chǎn)品。在工業(yè)中“無定形”指的是晶體細小,而非科學中所指的完全缺乏晶體結(jié)構(gòu)。無定形石墨大量出現(xiàn)在位于中國、歐洲、墨西哥以及美國的大型礦藏中。薄片狀石墨的價值更高,也較少見,通常出現(xiàn)在變質(zhì)巖中。質(zhì)量較高的薄片石墨價格可以是無定形石墨的4倍,可制成膨脹性石墨,用作阻燃劑等。薄片石墨出產(chǎn)于巴西、加拿大、中國、德國和馬達加斯加。葉脈狀或塊狀石墨最為罕見,是天然石墨中質(zhì)量與價格最高的一種。這種石墨整塊出現(xiàn)在巖石之間,目前只有斯里蘭卡出產(chǎn)。
根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù),2010年全球石墨產(chǎn)量為1100萬噸,其中中國占了80萬噸,印度13萬噸,巴西7.6萬噸,朝鮮3萬噸,加拿大2.5萬噸。美國沒有開采自然石墨,但2009年共生產(chǎn)了11.8萬噸合成石墨,估計總值9.98億美元。
鉆石
全球的鉆石生產(chǎn)由少數(shù)大型企業(yè)控制,而鉆石礦藏也只分布在地球的少數(shù)地區(qū)。
鉆石礦石中只有極小部分是鉆石。在最初壓碎礦石時須避免損傷大塊鉆石,壓碎后再以密度分開各種粒子。今天,人們利用X射線熒光光譜儀能夠預(yù)先找到鉆石含量較高的部分,接著的分類過程則由人工進行。在X光科技普及之前,人們用涂上油脂的運輸帶提取鉆石。鉆石比礦石中其他的礦物更容易粘在油脂上。
歷史上只有南印度出產(chǎn)鉆石。 自公元前9世紀左右至 公元18世紀中葉,印度都是世界唯一的鉆石產(chǎn)國。18世紀末,印度的礦藏已經(jīng)衰減了許多,因此巴西1725年發(fā)現(xiàn)鉆石后,成為了印度以外的首個鉆石產(chǎn)地。
1870年代人們發(fā)現(xiàn)了南非的鉆石礦場,才開始了對主要礦藏(金伯利巖及鉀鎂煌斑巖)的開采。產(chǎn)量不斷提高,截至2007年一共已有45億卡拉鉆石從當?shù)亻_采出來。 鉆石在美國主要分布在阿肯色州、科羅拉多州和蒙大拿州。
今天經(jīng)濟效益最高的鉆石產(chǎn)國有俄羅斯、博茨瓦納、澳洲及剛果共和國。 俄羅斯的鉆石產(chǎn)量為全球的五分之一。澳洲擁有鉆石含量最高的礦藏,其年產(chǎn)量在1990年代達到4200萬噸的頂峰。 其他的商業(yè)鉆石礦場位于加拿大加拿大、俄羅斯西伯利亞(大部分在雅庫特地區(qū))、巴西以及澳洲北部和西部。
應(yīng)用
由石墨組成的鉛筆筆芯(一般混有粘土或人造黏合劑)
條狀的壓縮木炭
碳絲織成的布料
碳化硅單晶
C 60 富勒烯晶體
碳化鎢銑磨鉆頭
所有生物都依賴碳。如果沒有碳,我們所知的生物形態(tài)都不可能存在(見假定性生物化學)。除了作食物和木材以外,碳的最大用途是在化石燃料上(以碳氫化合物的形式),如天然氣和石油等。石油化學工業(yè)利用煉油廠把原油蒸餾成汽油和柴油。纖維素是一種植物制造的碳聚合物,出現(xiàn)在棉花和麻中。植物中的纖維素主要有支撐結(jié)構(gòu)的作用。動物來源的碳聚合物有羊毛、羊絨和絲綢。塑料是人工合成的碳聚合物,一般在分子鏈中含有固定間隔的氧和氮原子。塑料的制造原料都可以從石油加工而成。
碳及其化合物的應(yīng)用非常廣泛。碳可以和鐵形成合金,亦即鋼。石墨與粘土混合后可制成鉛筆芯,用于書寫和繪畫。石墨還能用作潤滑劑、顏料、玻璃生產(chǎn)過程中的鑄模材料、干電池中或電鍍和電鑄過程中的電極、電動機中的碳刷以及核反應(yīng)堆中的中子減速劑等等。
木炭可用于繪畫、燒烤、煉鐵等等。木材、煤炭和石油都可用作燃料,用以發(fā)電或保暖。高質(zhì)量鉆石被用作首飾,而工業(yè)用鉆石則可在金屬或石頭上進行鉆孔、切割和磨光?;剂现械奶細浠衔锬芗庸こ伤芰?。聚酯纖維裂解后形成的碳纖維可以為塑料加固,產(chǎn)生輕盈的復(fù)合材料。碳纖維的制造原料為經(jīng)拉伸過的聚丙烯腈(PAN)以及其他有機物質(zhì),其最終的晶體結(jié)構(gòu)和力學屬性取決于初始原料和制作工序。由PAN做成的碳纖維結(jié)構(gòu)與細長的石墨絲相似,而經(jīng)過熱處理后,結(jié)構(gòu)就會變成連續(xù)的一張薄片。這種纖維的拉伸比強度比鋼還要高。
炭黑的應(yīng)用包括:黑色顏料、印刷墨水、藝術(shù)油墨和水彩、碳式復(fù)寫紙、汽車油漆、墨和激光打印機碳粉。炭黑還可以用作橡膠和塑料的填充劑。活性炭可吸附、過濾物質(zhì),其應(yīng)用范圍包括防毒面具、水凈化、廚房吸油煙機等,也可從消化系統(tǒng)中吸收毒物或氣體作醫(yī)學治療。碳在高溫下可以進行還原反應(yīng),如焦炭可將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵金屬。鋼與碳粉末一起加熱后,可以達到表面硬化的作用。碳化硅、碳化鎢、碳化硼和碳化鈦都是超硬材料,在切割和碾磨時被用作磨料。幾乎所有衣料都由碳化合物組成,如人造紡織品和皮革等。
鉆石
鉆石工業(yè)可基本分為寶石級和工業(yè)級鉆石的生產(chǎn)和加工,兩種市場的運作方式截然不同。
寶石級鉆石交易市場巨大。但與金、鉑等貴金屬不同,鉆石寶石的交易并不像日用品:其利潤幅度很高,二手市場也不大。
工業(yè)用鉆石市場主要注重鉆石的硬度和熱導(dǎo)率,而幾乎忽略鉆石的清澈度和顏色。因此開采出來的鉆石中,有80%(即1億卡拉、20噸)無法用作寶石,需要轉(zhuǎn)到工業(yè)用途上。 1950年人工鉆石被發(fā)明之后,馬上就有了工業(yè)用途,年產(chǎn)量共有30億卡拉(600噸)。 鉆石在工業(yè)中主要被用于切割、鉆孔、碾磨和磨光等,一般大小不需要太大。大部分寶石級鉆石都可以用在工業(yè)上。鉆石可以鑲嵌在鉆頭或鋸子上,或磨成粉末后進行碾磨和磨光。 在專門用途上,鉆石可以作高壓實驗的器材(如鉆石對頂砧)、高效軸承以及特殊窗戶等。 在人工鉆石生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展下,更多應(yīng)用將在未來實現(xiàn),如作為集成電路中的半導(dǎo)體或電子產(chǎn)品中的散熱片等。
安全
純碳對人類的毒性很低,甚至可以以石墨或木炭的形式直接安全進食。碳可以抵抗化學侵蝕,包括消化道中的酸。因此當進入人體組織后,碳會長時間存留。炭黑有可能是第一種被用作紋身的顏料。冰人奧茨的身上有碳刺青,一直保留到他死后5200年后的今天。 然而,大量吸入煤灰或煤煙卻會刺激肺部,并造成煤工塵肺等阻塞性肺病。作磨料用的鉆石粉末在進食或吸入后同樣會造成危險。柴油引擎排煙中含有碳微粒,這些微粒會在肺部積聚。 如果進入身體的含碳物質(zhì)還有其他的雜質(zhì),如有機化合物和重金屬等,就有可能會對身體造成額外的傷害。
碳對大部分地球生物來說毒性都很低,但對某些生物卻有毒。比如,碳納米微塵對果蠅屬是有毒的。
碳在高溫下能在空氣中劇烈燃燒,如溫斯喬火災(zāi)就是因加熱的石墨造成的。大量煤炭在無氧狀態(tài)下經(jīng)過數(shù)億年后,首次被挖出時,可能會在接觸到空氣后自燃。
碳的眾多化合物中,有著多種劇毒,如河豚毒素、蓖麻毒蛋白、氰化物(CN )和一氧化碳。
碳與各元素鍵合
參見
碳沙文主義
碳足印
低碳經(jīng)濟
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