碳存在分布

碳既以游離元素存在(金剛石、石墨等)，又以化合物形式存在(主要為鈣、鎂以及其他電正性元素的碳酸鹽)。它以二氧化碳的形式存在，是大氣中少量但極其重要的組分。預(yù)計(jì)碳在地殼巖石中的總豐度變化范圍相當(dāng)大，但典型的數(shù)值可取180ppm;按豐度順序，這個(gè)元素位于第17位，在鋇、鍶、硫之后，鋯、釩、氯、鉻之前。 石墨廣泛分布于全世界，然而大多數(shù)幾乎沒有價(jià)值。大量的晶體或薄片存在于變性的沉積硅酸鹽巖石中，如石英、云母、片巖和片麻巖;晶體大小從不足1mm到6mm左右(平均4mm)。它沉積微扁豆?fàn)畹V體，可達(dá)30m厚，橫越田野，綿延數(shù)公里。平均含碳量達(dá)25%，但高的可達(dá)60%(馬爾加什)。選礦是利用氫氟酸和鹽酸處理后進(jìn)行浮選，再在真空中加熱到1500℃。微晶石墨(有時(shí)稱為"無定形體")存在于富碳的變性沉淀中，某些墨西哥的沉積物含有高達(dá)95%的碳。

金剛石出自古代火山的筒狀火成礫巖(火山筒)，它嵌在一種比較柔軟的、暗色的堿性巖石中，稱為"藍(lán)土"或"含鉆石的火成巖"，1870年在南非的吉姆伯利城，首次發(fā)現(xiàn)這樣的火山筒。 隨著地質(zhì)年代的變遷，借火山筒的風(fēng)化腐蝕，在沖刷砂礫中和海灘上也能找到金剛石。形成金剛石結(jié)晶的原始模式當(dāng)代仍然是積極研究的課題。典型的含鉆石火山筒中金剛石的含量極低，數(shù)量級(jí)為500萬分之一，礦物必須用粉碎、淘洗這類機(jī)械方法分離并使其從涂有油膏的皮帶上通過，金剛石會(huì)粘在上面。這在某種程度上說明了寶石級(jí)金剛石價(jià)格極高的原因。

三種其他形式的碳被大規(guī)模制造并廣泛運(yùn)用于工業(yè):它們是焦炭、炭黑和活性炭。

在地面條件下，一種元素從一處到另一處是很罕見的。因此，地球上的碳含量是一個(gè)有效常數(shù)。碳在自然界中的流動(dòng)構(gòu)成了碳循環(huán)。例如，植物從環(huán)境中吸收二氧化碳用來儲(chǔ)存生物質(zhì)能，如碳呼吸和卡爾文循環(huán)(一種碳固定的過程)。一些生物質(zhì)能通過捕食而轉(zhuǎn)移，而一些碳以二氧化碳的形式被動(dòng)物呼出。碳循環(huán)的結(jié)構(gòu)要比右圖的模式圖復(fù)雜得多。例如，一些二氧化碳會(huì)溶解在海洋中，死去的植物或動(dòng)物的遺骸可能會(huì)形成煤、石油和天然氣，這些可以通過燃燒釋放碳，而細(xì)菌不能利用得到。

碳原子核的形成需要α粒子(氦核)在巨核或超巨星中發(fā)生幾乎同時(shí)的三重碰撞，這個(gè)過程稱為三氦過程。這種核融合反應(yīng)可以在超過一億度K的高溫和氦含量豐富的恒星內(nèi)部迅速的發(fā)生。同樣的，他發(fā)生在較老年，經(jīng)由質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經(jīng)燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達(dá)到氦燃燒的燃點(diǎn)。反應(yīng)的過程是:

He+He→Be (?93.7 keV)

Be+He→C (+7.367 MeV)

反應(yīng)過程的凈能量釋放為1.166pJ。

另一個(gè)為恒星供能的融合機(jī)制是CNO循環(huán)(碳-氮-氧循環(huán)，有時(shí)也稱為貝斯-魏茨澤克-循環(huán)，是恒星將氫轉(zhuǎn)換成氦的兩種過程之一，另一種過程是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng))，其中碳作為催化劑使得反應(yīng)能夠進(jìn)行。

現(xiàn)代已知的同位素共有十五種，有碳8至碳22，其中碳12和碳13屬穩(wěn)定型，其余的均帶放射性，當(dāng)中碳14的半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年，其他的為穩(wěn)定同位素。 在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權(quán)的平均值，一般計(jì)算時(shí)取12.01。碳12是國(guó)際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數(shù)為1摩爾。碳14由于具有較長(zhǎng)的半衰期，衰變方式為β衰變，碳14原子轉(zhuǎn)變?yōu)榈?且碳是有機(jī)物的元素之一，生物在生存的時(shí)候，由于需要呼吸，其體內(nèi)的碳14含量大致不變，生物死去后會(huì)停止呼吸，此時(shí)體內(nèi)的碳14開始減少。人們可透過傾測(cè)一件古物的碳14含量，來估計(jì)它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。

備注:畫上#號(hào)的數(shù)據(jù)代表沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的證明，只是理論推測(cè)而已，而用括號(hào)括起來的代表數(shù)據(jù)不確定性。

金剛石 碳 以無煙煤(一種煤炭類型)，石墨和鉆石的形式天然的存在，歷史上更容易得到的是煤灰或木炭。最終這些不同的材料被認(rèn)為是由相同的元素形成的。不驚奇的是，鉆石是最難確認(rèn)的。來自佛羅倫薩(意大利)的博物學(xué)者Giuseppe Averani和醫(yī)學(xué)工作者Cipriano Targioni首先發(fā)現(xiàn)了鉆石是可以被加熱摧毀的。在1694年他們使用一個(gè)大型放大鏡聚集陽光到鉆石上，寶石最終消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。之后，在1796年，英國(guó)化學(xué)家Smithson Tennant展示其燃燒后生成的僅僅是CO2而最終證明了鉆石只是碳的一種形式。(結(jié)構(gòu)如圖a)

金剛石是最為堅(jiān)固的一種碳結(jié)構(gòu)，其中的碳原子以晶體結(jié)構(gòu)的形式排列，每一個(gè)碳原子與另外四個(gè)碳原子緊密鍵合，成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔沸點(diǎn)高，熔點(diǎn)超過3500℃，相當(dāng)于某些恒星表面溫度。在金剛石分子中，每一個(gè)碳原子都被另外四個(gè)碳原子包圍著，這些碳原子以很強(qiáng)的結(jié)合力連接在一起，形成了一個(gè)巨大的分子，因此金剛石很堅(jiān)硬。金剛石是絕緣體。用途是作裝飾品，鉆頭材料等。

石墨 石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細(xì)鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質(zhì)又有分子晶體的性質(zhì)。質(zhì)軟，有滑膩感，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。熔沸點(diǎn)高。石墨分子中每一個(gè)碳原子只與其他三個(gè)碳原子以較強(qiáng)的力結(jié)合，形成了一種層狀的結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合力較小，因此石墨可以作為潤(rùn)滑劑。用途是制作鉛筆，電極，電車?yán)|線等。(結(jié)構(gòu)如圖b)

足球烯 1985年由美國(guó)德克薩斯州羅斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。一個(gè)C60分子中有60個(gè)C原子，構(gòu)成32個(gè)面，20個(gè)正六邊形，12個(gè)正五邊形。富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)鍵合在一起。(結(jié)構(gòu)如圖d,e,f)屬于分子晶體，熔沸點(diǎn)低，硬度小，絕緣。

藍(lán)絲黛爾石(Lonsdaleite，與金剛石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石)(結(jié)構(gòu)如圖c)

蠟石(Chaoite，石墨與隕石碰撞時(shí)產(chǎn)生，具有六邊形圖案的原子排列)

汞黝礦結(jié)構(gòu)(Schwarzite，由于有七邊形的出現(xiàn)，六邊形層被扭曲到"負(fù)曲率"鞍形中的假想結(jié)構(gòu))碳纖維(Filamentous carbon，小片堆成長(zhǎng)鏈而形成的纖維)

碳?xì)饽z(Carbon aerogels，密度極小的多孔結(jié)構(gòu)，類似于熟知的硅氣凝膠)

碳納米泡沫(Carbon nanofoam，蛛網(wǎng)狀，有分形結(jié)構(gòu)，密度是碳?xì)饽z的百分之一，有鐵磁性)

石墨烯 是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為"載荷子"(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

其他結(jié)構(gòu) 無定形碳(Amorphous，不是真的異形體,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是石墨)(結(jié)構(gòu)如圖g)

在氧氣中燃燒

劇烈放熱，發(fā)出刺眼白光，產(chǎn)生無色無味能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體

化學(xué)方程式:

C+O2====CO2(化合反應(yīng))

在空氣中燃燒

放熱，持續(xù)紅熱，產(chǎn)生無色無臭能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體CO2;當(dāng)燃燒不充分，即氧氣量不足時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳:

氧氣充足時(shí)化學(xué)方程式:

C+O2====CO2(化合反應(yīng))

氧氣不足時(shí)化學(xué)方程式:

2C+O2====2CO(化合反應(yīng))

作為還原劑

碳作為還原劑擁有和氫氣、一氧化碳相似的化學(xué)性質(zhì)(但生成物不同)，都可以從金屬氧化物中還原出金屬單質(zhì)。

碳還原氧化銅:

C+2CuO====2Cu+CO2↑(置換反應(yīng))

碳還原氧化鐵:

3C+2Fe2O3====4Fe+3CO2↑(置換反應(yīng))

碳還原二氧化碳:

C+CO2====2CO(化合反應(yīng))

但是，碳在密封空間與高錳酸鉀共熱，高錳酸鉀會(huì)分解出氧氣，碳會(huì)迅速氧化，會(huì)發(fā)生爆炸。

與強(qiáng)氧化性酸反應(yīng):

C+2H2SO4(濃)==加熱==CO2↑+2SO2↑+2H2O

C+4HNO3(濃)==加熱==CO2↑4NO2↑+2H2O

穩(wěn)定性

碳在"常溫"下具有穩(wěn)定性，不易反應(yīng)，故古代名畫現(xiàn)代能保存，書寫檔案要用碳素墨水

碳的化合物中，只有以下化合物屬于無機(jī)物:碳的氧化物、碳化物、碳的硫?qū)倩衔铩⒍蚧?CS2)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰及一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，其它含碳化合物都是有機(jī)化合物。

由于碳原子形成的鍵都比較穩(wěn)定，有機(jī)化合物中碳的個(gè)數(shù)、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機(jī)物數(shù)量極其繁多這一現(xiàn)象，現(xiàn)代人類發(fā)現(xiàn)的化合物中有機(jī)物占絕大多數(shù)。有機(jī)物的性質(zhì)與無機(jī)物大不相同，它們一般可燃、不易溶于水，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，已形成一門獨(dú)立的分科--有機(jī)化學(xué)。

金剛石供應(yīng)鏈被有權(quán)利的貿(mào)易集團(tuán)控制在有限數(shù)量上，并且高度集中在世界上很小的區(qū)域內(nèi)。(如右圖)只有非常少量的礦藏有實(shí)際價(jià)值。在將礦石粉碎期間必須采取護(hù)理措施防止在此過程中金剛石遭到破損，并隨后將金剛石按照密度順序排序。在當(dāng)今借助X射線將鉆石按照富集密度分級(jí)之前，過程中最后的分揀步驟都是靠手工完成的。在借助X射線操作成為了家常便飯之前，分離是通過涂有油膏的皮帶完成的，鉆石比其他礦物更有粘附能力。

有商業(yè)價(jià)值的石墨沉積在世界各地都有，但最重要的經(jīng)濟(jì)來源是在中國(guó)、印度、巴西和朝鮮。在Borrowdale , Cumberland , England的石墨沉積是首先達(dá)到了足夠的大小和純度，在19世紀(jì)前，鉛筆通過簡(jiǎn)單地用木條將天然石墨鋸條包裹而成。二十一世紀(jì)后，小的石墨沉積通過粉碎母巖并使輕質(zhì)的石墨浮出水面獲得。

碳對(duì)于現(xiàn)有已知的所有生命系統(tǒng)都是不可或缺的，沒有它，生命不可能存在。

除食物和木材以外的碳的主要經(jīng)濟(jì)利用是烴(最明顯的是石油和天然氣)的形式。原油由石化行業(yè)在煉油廠通過分餾過程來生產(chǎn)其他商品，包括汽油和煤油。

纖維素是一種天然的含碳的聚合物，從棉、麻、亞麻等植物中獲取。纖維素在植物中的主要作用的維持植物本身的結(jié)構(gòu)。來源于動(dòng)物的具有商業(yè)價(jià)值的聚合物包括羊毛、羊絨、絲綢等都是碳的聚合物，通常還包括規(guī)則排列在聚合物主鏈的氮原子和氧原子。

碳及其化合物多種多樣。碳還能與鐵形成合金，最常見的是碳素鋼;石墨和黏土混合可以制用于書寫和繪畫的鉛筆芯，石墨還能作為潤(rùn)滑劑和顏料，作為玻璃制造的成型材料，用于電極和電鍍、電鑄，電動(dòng)馬達(dá)的電刷，也是核反應(yīng)堆中的中子減速材料;焦炭可以用于燒烤、繪圖材料和煉鐵工業(yè);寶石級(jí)金剛石可作為首飾，工業(yè)用金剛石用于鉆孔、切割和拋光，以及加工石頭和金屬的工具。