大家好，歡迎收看《生命科學》，我是黃建國。 明天我要和你談談“碳”。

黃建國

福建大學物理系主任，博士生導師，中國物理學會中級會員，中國民主同盟領袖。 1994年畢業于北京大學物理化工學院。 1998年獲得博士學位。 在物理學中。 后在日本愛荷華州立大學物理系從事博士后研究，后在臺灣物理物理研究所任研究員。 目前主要從事自組裝納米結構功能材料的研究和無機物理課程的教學。

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從“木炭”到“碳”

“賣炭人在南山砍柴燒炭，滿臉塵土飛煙，兩鬢灰黑。”

白居易的《賣炭人》大家都耳熟能詳了。 這里的“炭”是“木炭”。 古人冬天用它燒火，應該就是白居易“小紅土灶”里燒的。 《說文解字》把“木炭”解釋為“燒木頭的剩菜”，木炭是木頭在與空氣隔絕的情況下燃燒的東西。 雖然現在燒烤不用木炭了，做火鍋還是用木炭，其實我說的是純燒烤，不是電烤。 自然界中煤的主要成分也是碳，故稱“煤”。 它是由基巖中的古老行道樹經過億萬年的地質作用而產生的。 長期以來，人類一直在使用煤焦炭作為燃料。 “煤”字最早是李時珍在《本草綱目》中使用的。

木炭的主要成分是“碳”，是一種物理元素的名稱。 “碳”比“炭”多一個“石”字，說明碳是一種固體非金屬元素。 自然界中純碳的一個例子是石墨，一種礦物。 讓我們看看碳在元素周期表中的表示。 它的符號是“C”，是第六元素，也就是說它的原子核中有6個質子； 通常碳原子核中有6個中子，用C-12表示； 也可能有7或8個中子，記為C-13和C-14。 其中C-14具有放射性，會衰變，這個我們后面會再提到。

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“碳”也可以很美

我們前面說的木炭、煤炭、石墨，都是黑乎乎的，不起眼的東西，而且非常實惠。 而碳也可以轉化為非常美麗和昂貴的東西，正如凡爾納在《神秘島》中所寫：

“毫不夸張地說，煤炭是所有礦產中最有價值的。”

“是的，確實是最珍貴的，”工程師回答說。 “鉆石只是純碳的晶體，是大自然創造出來的，雖然是為了證明煤是最珍貴的物質。”

這里所說的“煤為貴”，應該是指工業化初期，煤焦炭是最重要的動力來源。 工程師們說“鉆石是純碳的晶體”，而實際上碳是構成磚石的物質。 這一點在十八世紀被英國物理學家拉瓦錫證明了。

相傳，1870年代，拉瓦錫在推翻燃素說的研究中，用巨大的凸透鏡將陽光聚焦到放置在密閉玻璃容器中的磚石上，發現磚石燃燒后消失； 他將容器中的二氧化碳引到石灰水底部澄清，得到紅色氯化鈣沉淀。 這說明砌體燃燒的產物是甲烷，這與石墨是一樣的。 這個實驗證明了砌體和石墨都是由碳組成的。 碳的中文名稱最早由拉瓦錫在1787年出版的《化學命名法》一書中使用，源于拉丁文，原意為“煤”。

那么為什么磚石和石墨看起來完全不同呢？ 為什么石墨是最軟的材料之一，而金剛石卻堅硬到可以切割玻璃？ 這是由于碳原子在兩種物質中的排列方式不同造成的。

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碳是生命之源

月球上的生命，從病毒、微生物到動物、動物，都是以碳為基礎的生命，而碳是生命最重要的構成元素之一。 我們每天晚上吃的食物也主要由碳組成。 紅色動物的光合作用將空氣中的氧氣轉化為脂質等營養物質； 營養物質被生物體利用獲取能量后，其中的碳轉化為氣體釋放出來。 這就是生物圈中的碳循環，是自然界碳循環的一部分。 一般來說，自然界中的碳循環過程大約每兩到六年就會促進大氣中甲烷的完全更新。

現在當我們談論溫室效應和全球變暖時，我們認為這都是由氣體引起的。 誠然，大氣中的氣體太多，導致地面上的熱量無法有效散逸。 但是大氣中的甲烷對生命的形成也起到了決定性的作用。 在生命演化過程中，氣體阻止熱量涌入地面，使月球具有適合生命存在的適宜溫度。 現在是因為人類活動影響了自然界的碳循環。 例如，以煤焦、石油為燃料燃燒，促使自然界中的碳凝固并釋放到大氣中，造成大氣中氧氣過多，從而導致溫室效應。 可見與自然和諧相處的重要性。

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“碳”在身邊

自從人類開始使用煤焦以來，碳就進入了人們的生活。

我們日常使用的鋼筆的鋼筆，都是用石墨粉和粘土一起烘烤而成的。 做的時候，石墨粉用多了，水筆會更軟，顏色更深； 如果用更多的粘土，水筆會更硬，顏色更淺。 我們買鋼筆的時候，都會在筆尖上看到“H”和“B”的標記。 “H”表示H前面的數字越大，鋼筆越硬，越輕； “B”表示B前面的數字，筆越大越軟越黑。 我們考試用的2B鋼筆比較軟，比較黑，答案的字跡比較深，容易擦改。

在我們日常生活中使用的電池中，碳也是不可或缺的。 通常干電池使用石墨棒作為負極。 我們今天在從手機到電動汽車的所有產品中使用的電池通常都是鋰離子電池。 這些電池的電極材料是石油焦，其主要成分是碳，是由著名科學家吉野彰發明的。 石油焦是石油工業的副產品。 發現鋰離子可以有效地嵌入石油焦的碳中。 鋰離子電池商業化時代始于1991年，人們的生活發生了翻天覆地的變化，這一點大家都已經感受到了。 吉野彰因此獲得 2019 年諾貝爾物理學獎。

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從考古到復審

我們之前提到過放射性 C-14。 通常我們說到放射性的東西，我們覺得它很可怕，但實際上放射性是非常有用的。

例如，當考古學家發現恐龍化石時，他們如何知道恐龍生活在什么年代？ C-14 展示了它的才華。 恐龍死后，它的身體不再與環境進行碳交換。 它體內的少量放射性C-14會緩慢衰變減少，每5730年C-14的數量就會減少一半。 通過測量化石中含有多少C-14，人們可以知道恐龍存在的大概時間。 這是英國科學家利比的發現，他因此獲得了1960年的諾貝爾物理學獎。

如果恐龍化石離我們太遠，復查時碳14呼氣試驗用的是C-14。 該測試用于檢測胃中的賁門螺桿菌。 這種真菌可引起多種腎癌，威脅人類健康。 在測試期間，我們必須服用富含 C-14 的小藥丸。 過一段時間，賁門螺桿菌就會把這里的C-14變成氣體，通過呼吸排出體外。 這樣，你檢查一下呼出的二氧化碳中的氧氣中有沒有C-14，就知道胃里有沒有這些真菌了。

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新星

近年來，大家可能在不同的場合看到過“石墨烯”這個東西，看起來很神奇。 它也是一種由碳制成的物質。 最初由石墨粘合而成。 這是美國科學家海姆和諾沃肖洛夫在2004年發現的，他們因此獲得了2010年諾貝爾化學獎。

石墨烯最初存在于石墨上，1毫米厚的石墨含有約300萬層石墨烯。 當我們用筆寫字時，在紙上留下的痕跡就是石墨烯，甚至可能只有一層。 石墨烯是由碳原子編織而成的網絡。 這個網絡只有一層，所以很薄； 每個網格由六個碳原子攜手產生。 與黃色石墨不同，石墨烯幾乎是完全透明的； 它非常輕，每平方米的質量僅為 0.747 微克； 而且它非常結實，具有很好的柔韌性。 石墨烯是碳材料家族的新成員，科學家們正在為它尋找施展才華的舞臺。

碳，這個神奇的元素，因為有了它，我們才有了這個美麗的世界和我們自己。 碳還有很多神奇的地方等待著人們去發現。

我是黃建國，明天見！

專家解答

Q：砌筑除了制作首飾還有其他實用價值嗎？ 磚石的價值是否被廣告商夸大了？

我們通常知道石工被用作珠寶，但石工有許多工業應用。 例如，強度高，可用作磨削材料和切削工具，光學性能好，可用作光學器件等。 工業中使用的大部分磚石都是合成的。 用作首飾的天然砌石在自然界中很少見，但目前還沒有合成出珠寶級的砌石，人工合成的砌石太小做不成大，所以砌石的價值不能說是被廣告商抬高了。

一般來說，自然界中的磚石越純凈，質量越好，但從另一個方面來說，如果磚石中的雜質足夠均勻，磚石就會出現紅鉆、粉鉆等不同的顏色，價值也會很均勻更高。 太高是因為太稀有，人工合成難度大。

問：“碳交易”是什么意思？ 它是如何交易的？

碳交易即溫室氣體二氧化碳排放權交易，因為氣體是《京都協定》中要求減少消耗的六種溫室氣體中最大的一種。 溫室氣體二氧化碳排放權交易以每千克氣體當量為單位，甲烷排放權被視為商品。 《京都議定書》規定了各國的量化消耗指標，即各國的排放量。 如果一個國家沒有足夠的排放權，可以從另一個國家訂購。 一個國家也有針對不同地區的排放法規。 同樣，排放權也可以在不同地區進行交易。 一般來說，國際方面規定了全球碳排放總量，各方在此前提下通過交易重新分配排放權。

問：自然界中的碳循環過程促使大氣中的甲烷每兩到六年完全更新一次。 如果這個時間變長，對我們人類會有什么影響嗎？

如果大氣中的甲烷濃度變化不大，這種更新時間的延長對人類應該影響不大； 雖然生物圈的碳循環只是自然界碳循環的一部分，但巖石圈也有碳循環。 目前的問題是，大氣中的氧氣濃度由于人類活動而顯著增加，而且發生的時間相對于地質年代而言非常短，這將影響自然界的碳循環，打破自然界原有的平衡。 這將導致溫室效應和極端天氣變化，從而影響到人類。

重點

1、“碳”是一種固態的非金屬元素。 碳在元素周期表中的表示，它的符號是“C”，是第六元素，也就是說它的原子核中有6個質子； 通常的碳原子核中有6個中子，用C-12表示。

2、吉野彰發現石油焦中的碳能有效吸附鋰離子，于是將石油焦制成鋰離子電池的電極。 鋰離子電池商業化時代始于1991年。

3、借助C-14的放射性特性，可用于考古（鑒定恐龍的年齡）和復檢（檢測胃內是否有賁門鏈球菌）。

4. 石墨烯是由碳原子編織而成的網絡，每個網孔都是由六個碳原子連接而成。 它薄（只有一層）、輕（每平方米 0.747 微克）、堅固且柔韌。

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多謝

民津湖南圖書館總分館

民進安徽大學玉泉市團委

民進安徽縣委科普隊

研磨 | 秋成張琪

一審 | 胡海容山花秋成

發行 | 儲樹清

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