碳元素的产生与恒星核聚变有关，你知道吗？

在 100 多种化学元素中，变化最多的元素是碳。那么碳是如何产生的呢？碳的产生与恒星核聚变有关。随着恒星的演化，恒星核心中的氢通过核聚变转化为氦，恒星在引力的作用下开始向内塌缩。这种坍缩会增加恒星内部的温度和压力，直到氦经过核聚变形成碳。

图1碳图来自网络

碳的发现

据记载，自从碳出现在地球上以来，人类就一直与碳密切接触。下雨、打雷、打雷，导致木柴烧焦木炭等残留物。在原始社会，人们用燃烧的木棍来驱赶野兽。动物被烧死后，会留下骨碳，使碳为人所知。 , 碳在远古时代就被发现了，但是发现碳的确切日期在史料中并没有记载。 1789年，当拉瓦锡编制元素表时，碳作为一种元素首次正式出现在公众视野中。

在此之前，有碳的痕迹，但不知道是碳。我国魏晋时期有一段相关记载：“石墨可写，难燃，又称煤。”

石墨在 16 世纪被欧洲人发现为一种含铅物质，称为“可涂铅”。 1779 年，瑞典化学家舍勒将“彩铅”与硝酸钾熔合碳单质的化学性质，产生二氧化碳气体，将其鉴定为矿物木炭。 1722年，法国化学家拉瓦锡进行了燃烧钻石的实验，将钻石放入用水密封的玻璃钟罩中，加热后发现澄清石灰水测试密封水时产生白色沉淀物，类似于通过燃烧木炭获得的结果。同样，拉瓦锡认为钻石和木炭含有相同的成分，称为碳[1]。 20世纪初，碳被引入我国并命名为“碳”，开始流行使用，所以“碳”是100%C，而“木炭”的使用可以追溯到古人记载的木炭、焦炭等。

对碳的认识

相信学过化学的人都对碳元素很熟悉了，脱口而出说碳在元素周期表中排名第六，相对原子质量为12.0107，其中的电子数核的最外层。是4，不容易失去电子，也容易得到电子，化学价态有负4价和正4价，化学性质比较稳定，可以呈现多种价态如单键、双键和三键。元素的特殊性造就了多种碳元素。到目前为止，可以找到数十种碳的同素异形体。如石墨、金刚石、C60、碳纳米管等，有学者将碳同素异形体分为无定形碳、过渡碳、结晶碳三类。每个类别包含许多小类。可见，碳家族成员众多，种类繁多。

碳的应用

碳是一种非金属元素。由于其特殊的结构，其化学性质比较稳定碳单质的化学性质，在自然界中常以单质的形式存在。但在高温条件下，它更加活跃，与氧和氢结合形成新的化合物，碳族又变得庞大起来。以下碳家族成员有不同的应用。

(一）碳与工业

碳在工业中的应用可谓神奇。碳的单质有：金刚石、石墨、焦炭、活性炭、木炭等，家族成员众多，用途也无所不包。工业碳主要以碳为原料冶炼金属制品、工业制品等。如1961年我国广东新会挖掘南宋晚期炼铁遗址时，除炉渣、石灰石外，除了铁矿石，还发现了焦炭，这是世界上最早的炼铁用焦炭的例子。

1709年，英国人亚伯拉罕·达比一世成功地用焦炭代替木炭炼铁，并获得了这项技术的专利。焦炭炼铁主要是燃烧过程中的铁，高炉内部温度控制在1800～1900℃之间。在这个温度下，铁能较好地进行氧化还原反应，焦炭不断输送到高炉设备通过装料系统。 ，确保高炉内部温度处于相对稳定的状态。在冶炼过程中，焦炭即将到达风口时，风口的高温会使焦炭发生化学反应，同时产生二氧化碳放出大量热量。在二氧化碳量不断增加的过程中，由于缺乏氧气进行化学反应，二氧化碳在大量热量存在下形成H2和CO。 H2和CO作为高炉内氧化铁的还原剂，可以还原高炉内大量的铁，这也是保证高炉内冶炼铁的质量和收率的重要化学反应和步骤。熔炉 [2]。

图2可乐图来源于网络

(二）碳与生命场

根据中国水资源公报，2018年，我国废弃物和污水排放总量达到750亿吨。水体排放的污染物种类复杂，处理难度大。解决污水问题迫在眉睫，对污水处理提出了更高的要求。采用环保材料处理污水，不会产生副产物，不会对环境造成二次污染。因此，迫切需要能够解决污水问题的环保材料。

活性炭是碳家族的一员，在这种情况下可以创造奇迹。活性炭是一种具有特殊微晶结构、孔隙结构发达、比表面积大、吸附力强的碳质材料。具有良好的化学稳定性，具有耐酸、耐碱、耐高温的特点。活性炭不溶于水和有机溶剂，气体和液体均可使用。此外，表面疏水性可以吸附水溶液中的各种物质。根据这一特点，它被广泛应用于水污染问题。处理中。

活性炭在众多吸附剂中名列前茅，不仅是因为它的孔隙结构，还与其化学成分密切相关。此外，活性炭表面是非极性或弱极性的，与大多数其他吸附剂相比，这些优势特性结合在一起，使活性炭成为一种出色的吸附剂​​。人们对活性炭的探索并没有停止，对活性炭的技术开发也越来越多，其应用范围已扩展到土壤改良、空气污染、食品等领域。总之，活性炭在我们的生活中发挥了巨大的作用，让我们的生活更加健康环保。

说起碳在生活中的用处，不得不提钻石，让人爱不释手。金刚石又称“金刚石”，是一种由碳组成的矿物，是金刚石的原体。钻石颜色多样，硬度高，反射性强，能反射各种颜色的光。作为钻石，钻石是极具价值的技术材料。它们可以吸收太阳光中的短波波长，成为紫外线的理想储存器。可以对人体进行杀菌消毒，平衡阴阳气血，使皮肤充满活力，深受人们的喜爱。

几千年前，印度是世界上第一个发现钻石的地方。一段时间后，1725年巴西大量开采钻石，使巴西取代印度成为当时世界上最重要的钻石产地。直到1867年，真正的钻石王国才进入历史舞台，也就是南非。 1905年，在南非阿扎里亚发现了最大的钻石：库里南钻石，幸运地镶嵌在英国国王的权杖上，象征着英国国王的权力。南非的钻石产量仍处于世界前列，由此迎来了钻石行业的新纪元，钻石大放异彩，为人民服务。

图3 来自互联网的活性炭图

图4 钻石图来自网络

(三）碳和纳米场

碳族在纳米领域的作用比较“高”，听我和大家慢慢说。纳米技术是一种利用尖端科学手段控制分子大小的技术。纳米材料独特的物理化学性质使纳米科学成为世界三大科学支柱之一。碳是纳米材料一直在寻找的重要材料，吸引了众多科学家对碳的许多新物质进行探索和发现，从零维富勒烯C60、一维碳纳米管到二维碳纳米管。在石墨烯中，碳的同素异形体不断富集。

富勒烯C60是一种零维碳材料富勒烯，由英国化学家克罗托、美国化学家斯莫利和科尔的研究小组于1985年发现，由60个碳原子组成。具有芳香特性的中空球形分子。富勒烯 C60 是一种具有许多双键和独特笼状结构的三维芳香族化合物。化学家通过将亲水性、亲油性或强极性基团引入富勒烯分子来改变富勒烯分子。相互作用产生多种富勒烯衍生物纳米材料。这些富勒烯衍生物纳米材料具有特殊的超导性、强磁性、耐高压、耐化学腐蚀等优异性能，被广泛应用于纳米粒子材料领域。例如，作为一种新型纳米催化剂，以水溶性富勒烯纳米材料为载体，与二氧化钯配位形成新型富勒烯纳米钯催化剂，具有用量少的优点，回收方便，降低原料成本。

作为疏水材料，由于富勒烯衍生物纳米粒子材料具有优异的疏水性和较强的耐高温性，可以通过将纳米粒子、纤维等不同状态的纳米材料组装成疏水材料。富勒烯衍生物纳米粒子材料作为太阳能电池也是不错的选择。制成富勒烯太阳能电池，方便人类使用。富勒烯衍生物纳米粒子材料不仅用于这些，而且用途广泛，可供各行各业的人们使用。造福人类，造福众多。

说到这里，我想介绍一下碳在纳米领域的另一个贡献，那就是碳纳米管。碳纳米管由日本饭岛纯男教授于1991年首次发现。根据纳米管中碳原子的层数，大致可分为单壁管和多壁管两种。碳纳米管是一维纳米材料，重量轻，具有完美的六边形结构连接。它们具有非凡的电气、机械和化学性能，并因其特定的性能而被广泛应用于许多领域。由于它可以装载大量的小分子药物和生物大分子，具有保护和释放功能，用作小分子药物的转运，在生物医学中得到广泛应用。由于其良好的导电性，可在航空航天中用作轻质导线，制备轻质电子器件。由于其良好的光学和电学性能，它也被用作食品添加剂的电化学技术。

图5富勒烯C60图来自网络

图6 来自网络的碳纳米管

总结

碳，是不是很神奇？看看它和它的伙伴是否觉得他们就在我们身边，静静地服务于生活的各个方面。从最接近我们生活的领域到快速发展的工业领域；从作为人类存在的金属制品的可乐，到表达深情的璀璨钻石；从污水环保用活性炭到应用广泛的碳纳米管。 “等等。这些都是“碳”性能的不同状态。这些多样的特性也让科学家们为之着迷，对“碳”的研究也成为了他们永不放弃的目标。