碳

碳的英文名稱carbon來源於拉丁文中煤和木炭的名稱carbo，也來源於法語中的charbon，意思是木炭。 ^[1]  在德國、荷蘭和丹麥，碳的名字分別是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物質。

碳在史前就已被發現，炭黑和煤是人類最早使用碳的形式。鑽石大約在公元前2500年被中國熟知 ^[2]  ，同時煤作為碳的形式在羅馬時代被使用的化學方式和現代一樣：通過在一個椎體建築物中加熱被黏土覆蓋的木材來排除空氣。 ^[3]  在1722年，René Antoine Ferchault de Réaumur證明鐵通過吸收一些物質能變成鋼，這種物質就是熟知的碳。 ^[4]  在1772年，安東尼·拉瓦錫表明鑽石是碳的一種存在形式，當他將一些鑽石和煤的樣品燃燒時，發現他們都不生成水，並且每克的鑽石和煤所產生的二氧化碳的量是相等的。在1779年，卡爾·威廉·舍勒表明一度被認為是鉛的存在形式的石墨實質上是混雜了少量鐵的碳的混合物 ^[5]  ，並且他給了當用硝酸氧化時，產物的名字空氣中的酸（"aerial acid"），即二氧化碳。 ^[6]  在1786年，法國化學家Claude Louis Berthollet，Gaspard Monge 和 C. A. Vandermonde通過利用拉瓦錫處理鑽石的方法將石墨氧化，證明了石墨幾乎全部由碳組成。 ^[7]  1789年，拉瓦錫在他的教科書中將碳列在元素表中。 ^[6] 

碳既以遊離元素存在（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。預計碳在地殼岩石中的總丰度變化範圍相當大，但典型的數值可取180ppm；按丰度順序，這個元素位於第17位，在鋇、鍶、硫之後，鋯、釩、氯、鉻之前。 ^{[8]  [9]}  石墨廣泛分佈於全世界，然而大多數幾乎沒有價值。大量的晶體或薄片存在於變性的沉積硅酸鹽岩石中，如石英、雲母、片岩和片麻岩；晶體大小從不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉積微扁豆狀礦體，可達30m厚，橫越田野，綿延數公里。平均含碳量達25%，但高的可達60%（馬爾加什）。選礦是利用氫氟酸和鹽酸處理後進行浮選，再在真空中加熱到1500℃。微晶石墨（有時稱為“無定形體”）存在於富碳的變性沉澱中，某些墨西哥的沉積物含有高達95%的碳。 ^[8] 

金剛石出自古代火山的筒狀火成礫岩（火山筒），它嵌在一種比較柔軟的、暗色的鹼性岩石中，稱為“藍土”或“含鑽石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次發現這樣的火山筒。 ^[10]  隨着地質年代的變遷，借火山筒的風化腐蝕，在沖刷砂礫中和海灘上也能找到金剛石。形成金剛石結晶的原始模式當代仍然是積極研究的課題。典型的含鑽石火山筒中金剛石的含量極低，數量級為500萬分之一，礦物必須用粉碎、淘洗這類機械方法分離並使其從塗有油膏的皮帶上通過，金剛石會粘在上面。這在某種程度上説明了寶石級金剛石價格極高的原因。 ^[8] 

三種其他形式的碳被大規模製造並廣泛運用於工業：它們是焦炭、炭黑和活性炭。 ^[8] 

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有效常數。碳在自然界中的流動構成了碳循環。例如，植物從環境中吸收二氧化碳用來儲存生物質能，如碳呼吸和卡爾文循環（一種碳固定的過程）。一些生物質能通過捕食而轉移，而一些碳以二氧化碳的形式被動物呼出。碳循環的結構要比右圖的模式圖複雜得多。例如，一些二氧化碳會溶解在海洋中，死去的植物或動物的遺骸可能會形成煤、石油和天然氣，這些可以通過燃燒釋放碳，而細菌不能利用得到。

碳原子核的形成需要α粒子（氦核）在巨核或超巨星中發生幾乎同時的三重碰撞，這個過程稱為三氦過程。這種核融合反應可以在超過一億度K的高温和氦含量豐富的恆星內部迅速的發生。同樣的，他發生在較老年，經由質子-質子鏈反應和碳氮氧循環產生的氦，累積在核心的恆星。在核心的氫已經燃燒完後，核心將塌縮，直到温度達到氦燃燒的燃點。反應的過程是：

⁴He+⁴He→⁸Be （−93.7 keV）

⁸Be+⁴He→¹²C （+7.367 MeV）

反應過程的淨能量釋放為1.166pJ。

另一個為恆星供能的融合機制是CNO循環（碳-氮-氧循環，有時也稱為貝斯-魏茨澤克-循環，是恆星將氫轉換成氦的兩種過程之一，另一種過程是質子-質子鏈反應），其中碳作為催化劑使得反應能夠進行。

現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屬穩定型，其餘的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達5730年，其他的為不穩定同位素。 在地球的自然界裏，碳12在所有碳的含量佔98.93%，碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素丰度加權的平均值，一般計算時取12.01。碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數為1摩爾。碳14由於具有較長的半衰期，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子 且碳是有機物的元素之一，生物在生存的時候，由於需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去後會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。 ^[9] 

碳的同素異形體主要分為晶形碳、無定形碳、過渡碳等3大類，不同形態的碳單質物理性質不相同 ^[17]  。

晶形碳主要有石墨、金剛石、富勒烯、石墨烯、碳納米管等。其中金剛石具有典型的共價晶體特性，即高的硬度、高的熔點和低的等電性和低的導熱性；石墨烯具有超薄且有彈性的機械性能、比金剛石好約2倍的導電性能以及超越其他材料的導熱性能 ^[17]  。

無定形碳包括木炭、活性炭、碳纖維等。其中活性炭是一種具有特殊微晶結構、發達孔隙結構、巨大比表面積和較強吸附能力的同素異形體。其化學穩定性好，具有耐酸、耐鹼、耐高温等特點，活性炭不溶於水和有機溶劑，既可在氣相中使用，也可以在液相中使用。可以通過對活性炭進行酸鹼處理改變活性炭的性質，得到的活性炭又稱改性活性炭 ^[18]  。碳纖維是一種含碳量在95%以上的碳的同素異形體，既有碳材料的質輕、耐高温、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、高強度、高模量等固有本徵特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性 ^[19]  。

過渡碳為無定形碳過渡到晶形碳的過程中產生的中間產物，兼具了無定形碳和晶形碳的一些特點，表現出亂層石墨結構的特徵，在微觀上呈現出二維有序而三維無序的特點 ^[17]  。

過渡碳主要是熱解炭黑。其中熱解炭黑根據微觀結構的不同可大致分為各向異性和各向同性兩大類：各向同性熱解炭結構均勻緻密，抗氧化性能好；各向異性熱解炭結構緻密、晶粒尺寸小、性能結構均一，與傳統炭質材料相比，在強度、耐磨、潤滑、密封等性能方面表現更加優良 ^[20]  。

碳的雜化軌道理論碳原子的基態電子構型為1s²2s²2p²，根據該構型，碳的價態應該表現為2價，但在大量有機分子中碳的價態是4價，這是因為在外界干擾下，若干能量相近的原子軌道可以組合成同樣數目的、能量完全相同的新的原子軌道，這種新的軌道就稱為雜化軌道。這就解釋了多原子分子的空間構型和用普通價鍵理論所不能解釋的某些共價分子的形成方式。並且，碳原子除能夠採取 sp，sp²，sp³等多種軌道雜化形式以外，還可以形成某些中間過渡狀態的雜化態，從而使碳有不同的過渡態結構存在，又因為物質結構決定性質，這些不同過渡態結構的碳的性質也會不同 ^[16]  。

碳的化合物中，只有以下化合物屬於無機物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫屬化合物、二硫化碳(CS₂)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰及一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬滷酸鹽，如氰[(CN)₂]、氧氰[(OCN)₂]，硫氰[(SCN)₂]，其它含碳化合物都是有機化合物。

由於碳原子形成的鍵都比較穩定，有機化合物中碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機物數量極其繁多這一現象，現代人類發現的化合物中有機物佔絕大多數。有機物的性質與無機物大不相同，它們一般可燃、不易溶於水，反應機理複雜，已形成一門獨立的分科——有機化學。 ^[11] 

純碳具有極低的對人體的毒性，並可以處理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地攝取。碳可以抵抗溶解或化學侵蝕，例如，即使是面對消化道內的酸性物質。因此它一旦進入人體組織後可能會無期限存留。炭黑可能是最早用來紋身的顏料之一，如冰人奧茲被發現有炭黑紋身，這些紋身從他存活開始一直到他死後5200年後都一直存在。 ^[12]  然而，吸入大量煤炭（或炭黑）粉塵或煙塵是危險的，它們會刺激肺組織，並引起充血性肺病煤工塵肺。相似的，金剛石磨粉被誤食或吸入也會有危險。

碳對地球上幾乎所有生物都是低毒的，然而對某些生物是有毒的，例如碳納米顆粒對果蠅是致命的。 ^[13]  碳化合物種類繁多，既有致命毒素如河豚毒素、從蓖麻種子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物種如葡萄糖、蛋白質。

不同碳單質只製備方式不同，以下介紹兩類常見的碳單質製備方法，其他類型的碳單質詳見相應詞條。

金剛石供應鏈被有權利的貿易集團控制在有限數量上，並且高度集中在世界上很小的區域內。只有非常少量的礦藏有實際價值。在將礦石粉碎期間必須採取護理措施防止在此過程中金剛石遭到破損，並隨後將金剛石按照密度順序排序。在當今藉助X射線將鑽石按照富集密度分級之前，過程中最後的分揀步驟都是靠手工完成的。在藉助X射線操作成為了家常便飯之前，分離是通過塗有油膏的皮帶完成的，鑽石比其他礦物更有粘附能力。 ^[14] 

有商業價值的石墨沉積在世界各地都有，但最重要的經濟來源是在中國、印度、巴西和朝鮮。在Borrowdale , Cumberland , England的石墨沉積是首先達到了足夠的大小和純度，在19世紀前，鉛筆通過簡單地用木條將天然石墨鋸條包裹而成。二十一世紀後，小的石墨沉積通過粉碎母巖並使輕質的石墨浮出水面獲得。 ^[15] 

碳對於現有已知的所有生命系統都是不可或缺的，沒有它，生命不可能存在。

除食物和木材以外的碳的主要經濟利用是烴（最明顯的是石油和天然氣）的形式。原油由石化行業在煉油廠通過分餾過程來生產其他商品，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構。來源於動物的具有商業價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於書寫和繪畫的鉛筆芯，石墨還能作為潤滑劑和顏料，作為玻璃製造的成型材料，用於電極和電鍍、電鑄，電動馬達的電刷，也是核反應堆中的中子減速材料；焦炭可以用於燒烤、繪圖材料和鍊鐵工業；寶石級金剛石可作為首飾，工業用金剛石用於鑽孔、切割和拋光，以及加工石頭和金屬的工具。