炭素材料-chapter1（課堂PPT）

1、2/28/20221炭素材料Carbon material張傳祥礦物加工工程系材料科學與工程學院2/28/20222Chap. 1 炭材料基礎(chǔ)2/28/20223Outline 碳元素碳的特性碳的同素異形體炭材料的結(jié)構(gòu)與特性碳循環(huán)形形色色的炭材料2/28/20224Question為什么世界如此的豐富多彩？形成多彩物質(zhì)的關(guān)鍵是什么？你對碳炭有何認識？ 碳有那些同素異形體？ 炭材料的性能取決于什么？ 炭材料有何特性？炭材料應(yīng)用在那些方面？2/28/202252/28/20226Diamond & Graphite2/28/20227碳是個什么東西？碳為什么有碳原子、碳分子，又有碳元素，它

2、們之碳為什么有碳原子、碳分子，又有碳元素，它們之間有什么不同？間有什么不同？為什么性質(zhì)不同、形貌迥異的石墨和金剛石都是碳？為什么性質(zhì)不同、形貌迥異的石墨和金剛石都是碳？為什么有碳原子中有碳為什么有碳原子中有碳12又有碳又有碳14，兩者有何區(qū)別？，兩者有何區(qū)別？碳到底是個什么東西？碳到底是個什么東西？ ？2/28/20228碳是個什么東西？ 隨著數(shù)千年文明的發(fā)展，人類不斷從宏觀和微觀兩個方面隨著數(shù)千年文明的發(fā)展，人類不斷從宏觀和微觀兩個方面拓寬知識，對物質(zhì)世界的認識已經(jīng)可以跨越拓寬知識，對物質(zhì)世界的認識已經(jīng)可以跨越42個數(shù)量級。個數(shù)量級。 宏觀上，目前觀測所及的宇宙空間范圍已可達到宏觀上，目前觀

3、測所及的宇宙空間范圍已可達到1026-1027（1后面后面26-27個零）米個零）米 微觀上，已知組成質(zhì)子、中子的夸克、膠子等粒子的大小微觀上，已知組成質(zhì)子、中子的夸克、膠子等粒子的大小僅為僅為10-16（小數(shù)點后面（小數(shù)點后面16個零）米。人們現(xiàn)在已經(jīng)知道整個零）米。人們現(xiàn)在已經(jīng)知道整個宇宙是由不同物質(zhì)組成，物質(zhì)的種類有幾千萬種以上，個宇宙是由不同物質(zhì)組成，物質(zhì)的種類有幾千萬種以上，但組合搭配形成這些物質(zhì)的元素卻并不多，已知自然界存但組合搭配形成這些物質(zhì)的元素卻并不多，已知自然界存在的僅在的僅九十（？）九十（？）多種，加上人造的總共也只有多種，加上人造的總共也只有？種，碳種，碳就是這些元素當

4、中的一個，但又是極為特殊的一個。就是這些元素當中的一個，但又是極為特殊的一個。 2/28/202292/28/202210碳是個什么東西？ 原子是由原子核和不同數(shù)量、圍繞其旋轉(zhuǎn)并帶有一個單位原子是由原子核和不同數(shù)量、圍繞其旋轉(zhuǎn)并帶有一個單位負電荷的電子所組成。電子是質(zhì)量很小的微粒負電荷的電子所組成。電子是質(zhì)量很小的微粒, ,在原子核外在原子核外作高速運動，原子核則是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷但作高速運動，原子核則是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷但有一定質(zhì)量的中子所組成。這些都是我們從初中課本中已有一定質(zhì)量的中子所組成。這些都是我們從初中課本中已經(jīng)獲得的知識。由于不同原子中有著不同數(shù)量的質(zhì)子、中經(jīng)獲

5、得的知識。由于不同原子中有著不同數(shù)量的質(zhì)子、中子和電子子和電子, ,因此它們的性質(zhì)便有了很大的變化。元素則是具因此它們的性質(zhì)便有了很大的變化。元素則是具有相同原子序數(shù)或相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）的同一類原有相同原子序數(shù)或相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）的同一類原子，碳元素就是所有碳原子的總稱，而碳通常是碳元素的子，碳元素就是所有碳原子的總稱，而碳通常是碳元素的簡稱。簡稱。2/28/202211碳元素2/28/202212碳元素的原子結(jié)構(gòu)2/28/202213碳元素在周期表中的位置 化學是研究物質(zhì)及其變化和應(yīng)用的一門科學?；瘜W中用不化學是研究物質(zhì)及其變化和應(yīng)用的一門科學?；瘜W中用不同的英文字母來表示不同的

6、元素，用一個字母時為大寫，同的英文字母來表示不同的元素，用一個字母時為大寫，用兩個字母時為一個大寫一個小寫，它們被稱之為化學符用兩個字母時為一個大寫一個小寫，它們被稱之為化學符號號(或元素符號或元素符號)。例如用。例如用“H”表示氫，用表示氫，用“O”表示氧，用表示氧，用“Fe”表示鐵等等，碳的化學符號為表示鐵等等，碳的化學符號為“C”。原子是化學變化。原子是化學變化中的最小微粒，從宏觀上看物質(zhì)是由不同元素或化合物所中的最小微粒，從宏觀上看物質(zhì)是由不同元素或化合物所組成，從微觀上看則是由分子、原子或離子所組成。后來組成，從微觀上看則是由分子、原子或離子所組成。后來人們進一步發(fā)現(xiàn)各種元素的性質(zhì)會

7、隨著其原子序數(shù)（核電人們進一步發(fā)現(xiàn)各種元素的性質(zhì)會隨著其原子序數(shù)（核電荷數(shù)）的遞增周期性地變化，這是因為元素原子核外電子荷數(shù)）的遞增周期性地變化，這是因為元素原子核外電子排布周期性變化而導致的結(jié)果。這樣，便可將一百多種元排布周期性變化而導致的結(jié)果。這樣，便可將一百多種元素排列歸類形成一個化學元素周期表。素排列歸類形成一個化學元素周期表。 2/28/202214碳元素在周期表中的位置2/28/202215碳的特性 碳的原子序數(shù)為6，其原子量為12.011。已知自然界有三種同位素，其中12C為98.9，13C為1.10，放射性同位素14C僅為極少量。 已知的同位素有多少？2/28/202216碳的

8、特性 已發(fā)現(xiàn)碳原子的同位素有已發(fā)現(xiàn)碳原子的同位素有13種，即從種，即從8C（左上（左上8表示原子質(zhì)表示原子質(zhì)量數(shù)，左下量數(shù)，左下6表示質(zhì)子數(shù)）至表示質(zhì)子數(shù)）至20C，其中，其中12C（碳（碳12）和）和13C為為穩(wěn)定同位素，各自的平均相對豐度分別為穩(wěn)定同位素，各自的平均相對豐度分別為98.9%和和1.108%。其余同位素均為放射線同位素，其中除其余同位素均為放射線同位素，其中除14C（碳（碳14）的半衰）的半衰期為期為 5730年，人們可感到其存在外，其余的同位素由于半年，人們可感到其存在外，其余的同位素由于半衰期很短，如衰期很短，如16C僅為僅為0.74秒，秒，17C僅有僅有20毫秒毫秒,即

9、即0.02秒秒,所以所以無太大意義。無太大意義。2/28/202217碳的特性 大氣中的碳12和碳14按一定的比例保持不變，即每克碳中僅有百萬分之13.56的碳14。利用碳14的半衰期，人們可以估計含碳物質(zhì)，如樹木、骨頭和含生物分子的化石的年歲，即所謂碳14監(jiān)年法，也稱為碳年代測定法（carbon dating）。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有與天然同位素豐度一致的原子重量所占百分比計算的平均值，所以碳元素的原子量不是12.000而是12.001。 2/28/202218碳的特性 由于電子、質(zhì)子和中子都有一定的質(zhì)量，不同原子的核電由于電子、質(zhì)子和中子都有一定的質(zhì)量，不同原子的核電荷數(shù)不

10、同各種原子的質(zhì)量也就會不一樣。原子的絕對重量荷數(shù)不同各種原子的質(zhì)量也就會不一樣。原子的絕對重量極小，難以直接稱量，故最早用原子中最輕的極小，難以直接稱量，故最早用原子中最輕的氫原子氫原子重量重量為為1來測定其它元素的相對原子量，后來又將自然界存在的來測定其它元素的相對原子量，后來又將自然界存在的氧原子氧原子的平均原子量等于的平均原子量等于16.0000作為基準?？紤]到作為基準。考慮到碳元素碳元素在自然界的豐富程度以及它又有很強與其它元素結(jié)合的能在自然界的豐富程度以及它又有很強與其它元素結(jié)合的能力，所以國際上從力，所以國際上從1961年起為了避免混亂，統(tǒng)一將年起為了避免混亂，統(tǒng)一將12C（碳（碳

11、12，其原子質(zhì)量數(shù)，即質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為，其原子質(zhì)量數(shù)，即質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為12的碳原子）的碳原子）作為基準定為統(tǒng)一原子量的標度，其相對原子量被精確地作為基準定為統(tǒng)一原子量的標度，其相對原子量被精確地定為定為12.0000，所有其它的原子和分子均參照它來確定各自，所有其它的原子和分子均參照它來確定各自的質(zhì)量，從而使物理化學數(shù)據(jù)更為精確。的質(zhì)量，從而使物理化學數(shù)據(jù)更為精確。 2/28/202219碳的同素異形體 什么叫同素異形體？什么叫同素異形體？ 碳有多少同素異形體？碳有多少同素異形體？ 為什么碳能夠形成如此多的同素異形體？為什么碳能夠形成如此多的同素異形體？2/28/202220碳的同素

12、異形體 碳原子有極強的化學成鍵能力，周期表的碳原子有極強的化學成鍵能力，周期表的所有元素中只有碳是能夠形成更多價鍵的所有元素中只有碳是能夠形成更多價鍵的原子，也只有碳才是能形成結(jié)構(gòu)數(shù)更多的原子，也只有碳才是能形成結(jié)構(gòu)數(shù)更多的元素。元素。 由同種元素組成的純凈物叫做單質(zhì)，同一由同種元素組成的純凈物叫做單質(zhì)，同一種元素組成的不同性質(zhì)的單質(zhì)被稱之為同種元素組成的不同性質(zhì)的單質(zhì)被稱之為同素異性素異性(或同素異形或同素異形)體。體。 2/28/202221碳的同素異形體2/28/202222碳的同素異形體 早年人們認為碳的同素異形（性）體只有石墨和金剛石，早年人們認為碳的同素異形（性）體只有石墨和金剛石

13、，然而近然而近30年來，人造金剛石、零維富勒烯、一維納米碳管年來，人造金剛石、零維富勒烯、一維納米碳管以及二維石墨烯這些新的碳同素異形體的發(fā)現(xiàn)、獲得以及以及二維石墨烯這些新的碳同素異形體的發(fā)現(xiàn)、獲得以及各自特殊性能的研究給我們帶來不斷的驚喜，碳元素多次各自特殊性能的研究給我們帶來不斷的驚喜，碳元素多次成為成為“明星分子明星分子”。碳還能繼續(xù)帶來新的驚喜嗎。碳還能繼續(xù)帶來新的驚喜嗎? 碳元素完全有可能再次成為碳元素完全有可能再次成為“明星分子明星分子”，也將給我們帶，也將給我們帶來更多的驚喜，其原因就在于碳有來更多的驚喜，其原因就在于碳有無窮無盡的同素異形體無窮無盡的同素異形體，而其中大多數(shù)我們

14、現(xiàn)在都還沒得到，其性能更是不很清楚，而其中大多數(shù)我們現(xiàn)在都還沒得到，其性能更是不很清楚，新的碳同素異形體的研究和開發(fā)，就完全有可能給我們再新的碳同素異形體的研究和開發(fā)，就完全有可能給我們再次帶來新的驚喜。次帶來新的驚喜。 2/28/202223碳的同素異形體2/28/202224碳的同素異形體 碳的原子序數(shù)為六，共有碳的原子序數(shù)為六，共有6個電子。碳原子在基態(tài)時個電子。碳原子在基態(tài)時,其電其電子在能量從低到高的電子層內(nèi)配置為：第一層的子在能量從低到高的電子層內(nèi)配置為：第一層的1s2有兩個有兩個核心電子；第二層的核心電子；第二層的2s2和和2p2有有4個更弱的能成鍵的電子，個更弱的能成鍵的電子，

15、被稱為價電子，它們在形成碳單體和化合物的價鍵中起重被稱為價電子，它們在形成碳單體和化合物的價鍵中起重要作用。絕大多數(shù)情況下，碳原子要作用。絕大多數(shù)情況下，碳原子2s電子亞層中的一個電電子亞層中的一個電子可受激發(fā)跳到子可受激發(fā)跳到2p電子亞層的一個空軌道中。這樣就形成電子亞層的一個空軌道中。這樣就形成2s和和2px 、2py和和2pz四個能成鍵的價電子。四個能成鍵的價電子。 2/28/202225 然而，這然而，這4個軌道在不同情況下又會相互混雜成雜化原子軌道。在個軌道在不同情況下又會相互混雜成雜化原子軌道。在sp雜雜化時，碳原子化時，碳原子2s的一個軌道只和的一個軌道只和2p的一個軌道，例如的

16、一個軌道，例如2px進行雜化形成進行雜化形成sp雜化軌道，它們在鍵合時形成兩個雜化軌道，它們在鍵合時形成兩個鍵，而剩下的鍵，而剩下的2py和和2pz，則會形，則會形成成2個個鍵。碳原子以鍵。碳原子以鍵結(jié)合時，兩原子間的電子云在軌道的長軸方向鍵結(jié)合時，兩原子間的電子云在軌道的長軸方向結(jié)合，即形成頭對頭的疊合；而以結(jié)合，即形成頭對頭的疊合；而以鍵結(jié)合時，則在軌道的長軸方向平鍵結(jié)合時，則在軌道的長軸方向平行靠攏，即成為肩并肩的疊合。在行靠攏，即成為肩并肩的疊合。在sp2雜化時，碳原子雜化時，碳原子2s的一個軌道和的一個軌道和2p的兩個軌道，例如的兩個軌道，例如2px和和2py進行雜化形成進行雜化形成

17、sp2雜化軌道，形成雜化軌道，形成3個個鍵，鍵，而剩下的而剩下的2pz，則會形成一個，則會形成一個鍵；而在鍵；而在sp3雜化時，碳原子雜化時，碳原子2s的一個軌的一個軌道和道和2p的全部的全部3個軌道雜化，形成個軌道雜化，形成4個個鍵。鍵。軌道的軌道的電子在碳材料中起電子在碳材料中起著獨特的作用，著獨特的作用，電子可說是形成物質(zhì)的骨架基礎(chǔ)，而電子可說是形成物質(zhì)的骨架基礎(chǔ)，而電子則是發(fā)揮電子則是發(fā)揮物質(zhì)功能的根源。物質(zhì)功能的根源。 軌道雜化2/28/202226Forms of bonding in Carbonsp2sp3Very flexible bonding: richness of s

18、tructuresGraphiteDiamond2/28/202227軌道雜化化合物鍵解離能/KJ/mol鍵間距/nmHCCH 3630.153HCH 6720.134HCCH8160.1212/28/202228碳鍵2/28/202229碳的同素異形體 碳原子的碳原子的6個電子中能成鍵的個電子中能成鍵的4個電子，隨其占有軌道的不個電子，隨其占有軌道的不同組合，在碳原子相互結(jié)合或與其他原子形成化合物時，同組合，在碳原子相互結(jié)合或與其他原子形成化合物時，基本上可以產(chǎn)生三種不同的化學鍵，即單鍵、雙鍵和三鍵?；旧峡梢援a(chǎn)生三種不同的化學鍵，即單鍵、雙鍵和三鍵。包括地球在內(nèi)的宇宙時空內(nèi)有豐富的碳單質(zhì)和

19、碳的各種化包括地球在內(nèi)的宇宙時空內(nèi)有豐富的碳單質(zhì)和碳的各種化合物，它們都是這些雜化碳原子的產(chǎn)物。合物，它們都是這些雜化碳原子的產(chǎn)物。2/28/202230碳的特性 價鍵軌道的雜化價鍵軌道的雜化。除了內(nèi)部有球狀ls軌道含兩個鍵合力很強的核心電子外再沒有其他內(nèi)部軌道，故有利于碳進行包括僅有的2s和2p價鍵軌道的雜化，除單鍵外它還能形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵。第族的硅硅(原子序數(shù)為14)和鍺鍺(原子序數(shù)為32)由于原子序數(shù)更大，有更多的電子亞層，受內(nèi)層中其他內(nèi)部軌道所影響，基本上只能形成sp3雜化而沒有sp2和sp雜化。因它們結(jié)合半徑比碳大而不能形成穩(wěn)定的雙鍵。這也正是硅和鍺不能像碳那樣形成大量有機化合物

20、和眾多同素異形體的原因。 2/28/202231碳的特性比碳原子結(jié)合半徑更小的氮氮和氧氧(C為0.0772nm，N為0.070 nm，O為0.066nm)等有可能形成多重鍵，但它們的最外層電子數(shù)過多，這些電子相互間可形成孤電子對。這樣，使參與成鍵的電子數(shù)減少到只剩23個，而且在成鍵的兩個原子中若都具有孤電子對，則相互之間還會排斥。價電子數(shù)少意味著可形成的結(jié)構(gòu)數(shù)少，參與成健的原子中，孤電子對之間的電相斥會使兩者之間結(jié)合能變小。結(jié)果周期表的所有元素中只有碳是能形成更多價鍵的原子，也只有碳才能形成結(jié)構(gòu)數(shù)更多的元素，也即是有更多變化和更多同素異形體的元素。正因為此，碳原子最外層的電子全部與鍵合有關(guān)，碳

21、碳間成鍵的距離最小，沒有相互排斥的孤電子對，因而有特別大的鍵合能。碳原子間獨持的鏈接能力(本身成鍵)，使之能形成鏈、環(huán)和網(wǎng)狀等各類結(jié)構(gòu)。2/28/202232碳的同素異形體 碳元素的所有神奇特性都是由于它們處在這一不上不下，碳元素的所有神奇特性都是由于它們處在這一不上不下，不左不右的特殊位置所致。不左不右的特殊位置所致。2/28/202233碳的同素異形體 Sp3Sp1Sp2聚炔金剛石超金剛石卡賓石墨金剛石多環(huán)網(wǎng)石墨烯玻璃碳類金剛石富勒烯無定形炭縮合崩潰納米碳管C70,P/H=0.5C60,P/H=0.6富勒烯C60,P/H=0.6C60,P/H=0.6C60,P/H=0.6假設(shè)D-G2/28

22、/202234碳的同素異形體2/28/202235碳的特性 電子的獨特作用。電子的獨特作用。當碳原子進行spn (n1的富碳星每年可產(chǎn)生固態(tài)的富碳星每年可產(chǎn)生固態(tài)C的速率約為的速率約為0.002M （M 為太陽的質(zhì)量）。為太陽的質(zhì)量）。 2/28/202271碳從哪里來？ 在溫度為在溫度為 5107K的最早恒星中，會以更高速率產(chǎn)的最早恒星中，會以更高速率產(chǎn)生必要量的生必要量的碳來催化氫的燃燒碳來催化氫的燃燒。太陽中心溫度為。太陽中心溫度為1500萬度，而質(zhì)量萬度，而質(zhì)量1.5M 的恒星，其核心溫度可達的恒星，其核心溫度可達3000萬萬K以上，此時主要是：以上，此時主要是：“碳氮氧循環(huán)碳氮氧循環(huán)

23、”（也稱（也稱“碳碳循環(huán)循環(huán)”）反應(yīng)。在此反應(yīng)中，碳作為中間物起催化作）反應(yīng)。在此反應(yīng)中，碳作為中間物起催化作用，所以碳在恒星發(fā)光發(fā)熱過程中也起著重要作用。用，所以碳在恒星發(fā)光發(fā)熱過程中也起著重要作用。1938年貝特（年貝特（Bethe ）提出這一碳氮氧循環(huán)理論）提出這一碳氮氧循環(huán)理論,并因并因此獲得此獲得1967年的諾貝爾獎。年的諾貝爾獎。2/28/202272碳從哪里來？ 從現(xiàn)代觀點看，整個宇宙都是大爆炸后熱核反應(yīng)的產(chǎn)從現(xiàn)代觀點看，整個宇宙都是大爆炸后熱核反應(yīng)的產(chǎn)物，無論是我們每天看到的太陽，還是我們目前生活物，無論是我們每天看到的太陽，還是我們目前生活的地球都莫不如此。作為物質(zhì)的一種的碳

24、元素當然也的地球都莫不如此。作為物質(zhì)的一種的碳元素當然也不例外?？梢哉f，我們?nèi)梭w中的每一個碳原子也都是不例外?？梢哉f，我們?nèi)梭w中的每一個碳原子也都是宇宙大爆炸后，在恒星熱核反應(yīng)中宇宙大爆炸后，在恒星熱核反應(yīng)中燃燒燃燒 “灰燼灰燼”的的產(chǎn)物。產(chǎn)物。 碳是宇宙前期種形成的關(guān)鍵元素碳是宇宙前期種形成的關(guān)鍵元素,也是地球上最活躍也是地球上最活躍的元素的元素,其存在形式復(fù)雜而且在不斷地演化其存在形式復(fù)雜而且在不斷地演化:從單一鍵從單一鍵態(tài)，演化到復(fù)合鍵態(tài)的多形式碳；從早期的原生碳，態(tài)，演化到復(fù)合鍵態(tài)的多形式碳；從早期的原生碳，演化到無機碳演化到無機碳,從無機碳演化到有機碳；碳的單質(zhì)形從無機碳演化到有機碳

25、；碳的單質(zhì)形態(tài)，也從鏈型向?qū)有?、管型、球型和配位型不斷轉(zhuǎn)化態(tài)，也從鏈型向?qū)有?、管型、球型和配位型不斷轉(zhuǎn)化。 2/28/202273宇宙中的碳 光輝奪目，晶瑩剔透的光輝奪目，晶瑩剔透的鉆石雖然也是碳元素的一鉆石雖然也是碳元素的一種形式，但卻是年輕女士種形式，但卻是年輕女士在情人節(jié)時最期盼的禮物。在情人節(jié)時最期盼的禮物。 地球上最大的鉆石有多大？ 宇宙中呢？2/28/202274宇宙中的碳 地球上已發(fā)現(xiàn)的最重鉆石是地球上已發(fā)現(xiàn)的最重鉆石是1905年產(chǎn)于南非，重年產(chǎn)于南非，重3106克拉的克拉的“庫里南庫里南”鉆石原石。按每克拉為鉆石原石。按每克拉為0.2克計算，克計算，其重量相當于其重量相當于62

26、1.2克，尚不足一公斤?？耍胁蛔阋还?。 距離我們地球距離我們地球50光年的人馬座中，有一顆編號為光年的人馬座中，有一顆編號為“BPM37093”星球卻是迄今所知宇宙中的最大的一顆星球卻是迄今所知宇宙中的最大的一顆鉆石。它的直徑為鉆石。它的直徑為4000公里，重量達公里，重量達10的的34次方次方 克克拉，即拉，即210的的27次方次方 噸噸，天文學家根據(jù)披頭式樂隊，天文學家根據(jù)披頭式樂隊的歌曲的歌曲“天空中那是載著鉆石的露西天空中那是載著鉆石的露西”，而將它命名，而將它命名為為“露西露西”。 2/28/202275宇宙中的碳 鉆石星球鉆石星球 2/28/202276宇宙中的碳 事實上，它是

27、恒星中核反應(yīng)完全結(jié)束、轉(zhuǎn)化事實上，它是恒星中核反應(yīng)完全結(jié)束、轉(zhuǎn)化成白矮星之后形成的成白矮星之后形成的碳內(nèi)核碳內(nèi)核，隨溫度的降低，隨溫度的降低，其中的碳元素就會逐漸形成密度極高的結(jié)晶，其中的碳元素就會逐漸形成密度極高的結(jié)晶，從而成為銀河系中最大的鉆石。從而成為銀河系中最大的鉆石。50億年之后，億年之后，太陽也將蛻變成一顆白矮星，然后再經(jīng)過太陽也將蛻變成一顆白矮星，然后再經(jīng)過20億年，就也將變成一顆閃閃發(fā)光的大鉆石。億年，就也將變成一顆閃閃發(fā)光的大鉆石。2/28/202277宇宙中的碳 除由恒星直接轉(zhuǎn)化成的大鉆石外，也有在恒星周圍形除由恒星直接轉(zhuǎn)化成的大鉆石外，也有在恒星周圍形成的碳行星。人類已經(jīng)

28、觀察到成的碳行星。人類已經(jīng)觀察到100多顆太陽系以外的多顆太陽系以外的行星。在這些行星中，也有一些是由含有行星。在這些行星中，也有一些是由含有豐富碳元素豐富碳元素的氣體及塵埃濃縮而成，其中有些行星的主要成分是的氣體及塵埃濃縮而成，其中有些行星的主要成分是碳化硅（金剛砂）等。碳化硅（金剛砂）等。 還有一些行星的表殼最上端可能是還有一些行星的表殼最上端可能是石墨石墨，而內(nèi)部是由，而內(nèi)部是由于高壓作用轉(zhuǎn)化成的于高壓作用轉(zhuǎn)化成的天然鉆石天然鉆石，其表面還可能有，其表面還可能有碳氫碳氫化合物化合物，也可能形成，也可能形成甲烷甲烷之類液體碳氫化合物的湖區(qū)之類液體碳氫化合物的湖區(qū)或海區(qū)?；蚝^(qū)。 2/28/

29、202278宇宙中的碳 宇宙中的巴基球宇宙中的巴基球2/28/202279宇宙中的碳 有些科學家甚至認為這些太陽系外的碳元素行星可能有些科學家甚至認為這些太陽系外的碳元素行星可能存在著生命，甚至智能生命。例如，在年齡僅存在著生命，甚至智能生命。例如，在年齡僅2000多多萬年、離地球約萬年、離地球約60光年、被稱之為光年、被稱之為“貝塔貝塔-皮克托里皮克托里斯斯”的恒星周圍，就發(fā)現(xiàn)了直徑達的恒星周圍，就發(fā)現(xiàn)了直徑達3000億公里的氣體億公里的氣體塵埃云，其中有大量氣態(tài)的塵埃云，其中有大量氣態(tài)的碳碳，它們正在形成甲烷和，它們正在形成甲烷和石墨儲量極其豐富的行星。石墨儲量極其豐富的行星。2008年美

30、國宇航局發(fā)布年美國宇航局發(fā)布“卡西尼卡西尼”飛船探測結(jié)果稱，土星最大的一顆衛(wèi)星飛船探測結(jié)果稱，土星最大的一顆衛(wèi)星土衛(wèi)六的表面湖海中土衛(wèi)六的表面湖海中天然氣和其它液態(tài)碳氫化合物天然氣和其它液態(tài)碳氫化合物數(shù)量驚人數(shù)量驚人，是地球上已探明石油天然氣總儲量的數(shù)百，是地球上已探明石油天然氣總儲量的數(shù)百倍。液態(tài)碳氫化合物不是以水，而是以倍。液態(tài)碳氫化合物不是以水，而是以甲烷和乙烷甲烷和乙烷的的形式存在于土衛(wèi)六的表面。形式存在于土衛(wèi)六的表面。2/28/202280宇宙中的碳 對墜落地球的隕星研究表明，其中對墜落地球的隕星研究表明，其中碳元素的碳元素的3%以納以納米級鉆石形態(tài)存在。據(jù)推算，宇宙塵云中一克塵埃和

31、米級鉆石形態(tài)存在。據(jù)推算，宇宙塵云中一克塵埃和氣體中可能含氣體中可能含一萬萬億顆納米級鉆石一萬萬億顆納米級鉆石。美國宇航局的。美國宇航局的“斯皮策斯皮策”（spitzer）紅外線太空望遠鏡正在進行這）紅外線太空望遠鏡正在進行這方面的搜尋。在宇宙中，碳元素除以鉆石、石墨形態(tài)方面的搜尋。在宇宙中，碳元素除以鉆石、石墨形態(tài)存在之外，還有許許多多其他形式。例如利用哈勃望存在之外，還有許許多多其他形式。例如利用哈勃望遠鏡在一棵距地球遠鏡在一棵距地球65光年、如木星般大小、被命為光年、如木星般大小、被命為“HD189733”的系列行星上還發(fā)現(xiàn)的系列行星上還發(fā)現(xiàn)二氧化碳氣體二氧化碳氣體。 2/28/2022

32、81宇宙中的碳位置原子和分子固態(tài)包圍在紅色巨星和漸進線巨型分支星的富碳星云CO、C2H2、復(fù)雜的烴類、氣相多環(huán)芳烴帶有未明確的-*轉(zhuǎn)變的非石墨化碳、碳化硅彌散的星際環(huán)境（ISM） 簡單雙原子分子、氣相多環(huán)芳烴和碳鏈帶有強-*轉(zhuǎn)變的石墨、帶有脂肪烴的含碳固體稠密的星際空間(ISM)CO、復(fù)雜烴類含碳的冰（CO、CO2、CH3OH）、凝結(jié)的含碳粒子初生隕石中的星際物質(zhì)(IS)氣相多環(huán)芳烴碳化物、石墨粒子、石墨化程度較差的碳、洋蔥碳、納米金剛石2/28/202282宇宙中的碳 自自1937年發(fā)現(xiàn)第一個星際分子以來，已鑒定出的星際分子已超年發(fā)現(xiàn)第一個星際分子以來，已鑒定出的星際分子已超過過130多種，

33、而其中的多種，而其中的75是含碳分子是含碳分子。碳是擴散星際云中自。碳是擴散星際云中自由電子的主要來源，可以使星際氣體加熱，因此由電子的主要來源，可以使星際氣體加熱，因此碳在星際介質(zhì)碳在星際介質(zhì)物理進化中起重要作用。物理進化中起重要作用。 整個宇宙的質(zhì)量中，整個宇宙的質(zhì)量中， 95為看不見的黑暗物質(zhì)為看不見的黑暗物質(zhì)、黑暗能量和、黑暗能量和中微子。中微子。星球、彗星、宇宙間氣體和灰塵僅占整個宇宙質(zhì)量星球、彗星、宇宙間氣體和灰塵僅占整個宇宙質(zhì)量5，其中的所有物質(zhì)均由近其中的所有物質(zhì)均由近100種元素及其種元素及其300多種同位素組成。多種同位素組成。宇宙內(nèi)的所有元素中，宇宙內(nèi)的所有元素中，碳元素

34、含量所占比例僅為碳元素含量所占比例僅為0.3%，但其豐，但其豐度列第度列第6位。在太陽系的元素和同位素中，按原子比率的順序位。在太陽系的元素和同位素中，按原子比率的順序碳和氧差不多列第碳和氧差不多列第4位，僅低于氫和氦。碳也是形成地球宇宙位，僅低于氫和氦。碳也是形成地球宇宙微粒的主要構(gòu)成元素，微粒的主要構(gòu)成元素，隨著不斷的演化發(fā)展，以碳為骨架，終隨著不斷的演化發(fā)展，以碳為骨架，終于在地球上形成了各種動植物繁衍的大千世界。于在地球上形成了各種動植物繁衍的大千世界。 2/28/2022832/28/202284碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世 地球起源于地球起源于46億年前原始星云，隨著地球的演化，碳在地億年

35、前原始星云，隨著地球的演化，碳在地球的不同圈層內(nèi)也在不斷地變動和演化。地球中重元素較球的不同圈層內(nèi)也在不斷地變動和演化。地球中重元素較多，從地表到往下多，從地表到往下16公里的地層，包括大氣層和水圈在內(nèi)，公里的地層，包括大氣層和水圈在內(nèi)，碳的質(zhì)量分數(shù)僅為碳的質(zhì)量分數(shù)僅為0.08%，其豐富程度僅列第，其豐富程度僅列第14位，遠低位，遠低于氧、硅、鋁、鐵等元素。但是，碳卻是存在形式最復(fù)雜于氧、硅、鋁、鐵等元素。但是，碳卻是存在形式最復(fù)雜的元素?；谔嫉臉O高成鍵能力和獨特的性能，唯有碳，的元素?；谔嫉臉O高成鍵能力和獨特的性能，唯有碳，才能夠成為太陽能的主要化學能源載體；也只有碳，才能才能夠成為太陽

36、能的主要化學能源載體；也只有碳，才能成為構(gòu)成地球上各種生物體的骨架元素。地球上的碳，除成為構(gòu)成地球上各種生物體的骨架元素。地球上的碳，除了大部分演化為碳酸鹽和化石燃料外了大部分演化為碳酸鹽和化石燃料外,也有極少量在各種也有極少量在各種特殊條件下轉(zhuǎn)化為單質(zhì)碳，如石墨和金剛石，甚至還有天特殊條件下轉(zhuǎn)化為單質(zhì)碳，如石墨和金剛石，甚至還有天然富勒烯和納米碳管。然富勒烯和納米碳管。2/28/202285碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世2/28/202286碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世 在各種特殊條件下，在各種特殊條件下，碳在宇宙和地球上演化為碳在宇宙和地球上演化為眾多的有機分子眾多的有機分子(如碳水化合物、氨基酸、蛋白如碳

37、水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等質(zhì)、核酸等)，進而發(fā)展成能自我重構(gòu)的大分子，進而發(fā)展成能自我重構(gòu)的大分子，即有遺傳信息的原始基因片段。這些原始基因即有遺傳信息的原始基因片段。這些原始基因片段利用自身及周圍材料，在光能等作用下通片段利用自身及周圍材料，在光能等作用下通過生物化學反應(yīng)重構(gòu)自己的軀體，在不同的條過生物化學反應(yīng)重構(gòu)自己的軀體，在不同的條件下經(jīng)過長時間的進化發(fā)展，在地球上終于形件下經(jīng)過長時間的進化發(fā)展，在地球上終于形成了當今包括人類在內(nèi)、各種動植物繁衍的大成了當今包括人類在內(nèi)、各種動植物繁衍的大千世界。千世界。2/28/202287碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世 地球上所有的地球上所有的“能能”均

38、來自太陽。物質(zhì)可以循環(huán)，均來自太陽。物質(zhì)可以循環(huán)，但能量消耗轉(zhuǎn)化后卻不能再生。自養(yǎng)型植物可通過但能量消耗轉(zhuǎn)化后卻不能再生。自養(yǎng)型植物可通過其體內(nèi)的葉綠素吸收太陽能使低能量的其體內(nèi)的葉綠素吸收太陽能使低能量的二氧化碳二氧化碳（CO2）和水轉(zhuǎn)化為高化學能的糖類貯存于體內(nèi)，）和水轉(zhuǎn)化為高化學能的糖類貯存于體內(nèi)，而異養(yǎng)型動物則要通過食物鏈由植物或其它動物取而異養(yǎng)型動物則要通過食物鏈由植物或其它動物取得能量來保持自身的機能。生物通過有控制的呼吸得能量來保持自身的機能。生物通過有控制的呼吸作用緩慢地燃燒糖類釋放出作用緩慢地燃燒糖類釋放出CO2，同時產(chǎn)生能量供，同時產(chǎn)生能量供生物體維持其生命。這一新陳代謝是

39、生命的基本特生物體維持其生命。這一新陳代謝是生命的基本特征，是生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換過征，是生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換過程，而正是碳在這一演化過程中起關(guān)鍵作用，也只程，而正是碳在這一演化過程中起關(guān)鍵作用，也只有碳才能完成這一重大使命。有碳才能完成這一重大使命。 2/28/202288Carbon cycle2/28/202289碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世佛教認為人可以轉(zhuǎn)世，既有我這輩子必然有上輩子，并且認為佛教認為人可以轉(zhuǎn)世，既有我這輩子必然有上輩子，并且認為轉(zhuǎn)世的不是肉體，而是靈魂。轉(zhuǎn)世的不是肉體，而是靈魂。然而，從科學角度看，人體中可轉(zhuǎn)世輪回的只有身體中的碳，然而，從科學

40、角度看，人體中可轉(zhuǎn)世輪回的只有身體中的碳，它既有今生，還有前世。任何人身體中的碳無不來自億萬年前它既有今生，還有前世。任何人身體中的碳無不來自億萬年前恒星的熱核反應(yīng)。人和其他動物一樣，每天通過食物輸入新的恒星的熱核反應(yīng)。人和其他動物一樣，每天通過食物輸入新的含碳有機物，以提供維持生存的能量，同時又通過呼出含碳有機物，以提供維持生存的能量，同時又通過呼出CO2及及排泄出殘余含碳廢物，進行體內(nèi)碳原子的不斷代謝更新。人在排泄出殘余含碳廢物，進行體內(nèi)碳原子的不斷代謝更新。人在百年之后，整個軀體中含有的碳物質(zhì)將飛灰煙滅，在細菌及氧百年之后，整個軀體中含有的碳物質(zhì)將飛灰煙滅，在細菌及氧的作用下完全分解成的

41、作用下完全分解成CO2，如果這些，如果這些CO2與日常呼出的與日常呼出的CO2被被植物吸收就又有可能再次輪回到下一代的人體中。說不定你身植物吸收就又有可能再次輪回到下一代的人體中。說不定你身體中的某一碳原子幾千年前曾在秦始皇身上呆過，也可能上輩體中的某一碳原子幾千年前曾在秦始皇身上呆過，也可能上輩子曾在牛馬體內(nèi)停留，各種幾率都有，但是因為碳原子的數(shù)量子曾在牛馬體內(nèi)停留，各種幾率都有，但是因為碳原子的數(shù)量實在太多，每一種情況的單一可能性又極低極低。實在太多，每一種情況的單一可能性又極低極低。 2/28/202290碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世 地球上貯存碳的最大兩個地球上貯存碳的最大兩個碳庫是巖石圈和化

42、石燃料碳庫是巖石圈和化石燃料，其總含碳量約占地球上碳總量的其總含碳量約占地球上碳總量的99.9。地球上還地球上還有另外有另外三個碳庫：即大氣圈，水圈和生物圈三個碳庫：即大氣圈，水圈和生物圈。這三。這三個庫中的碳在生物和無機環(huán)境中不停地交換。巖石個庫中的碳在生物和無機環(huán)境中不停地交換。巖石圈中碳主要以碳酸鹽形式存在總量為圈中碳主要以碳酸鹽形式存在總量為610的的16 次次方方 噸，大氣圈以噸，大氣圈以CO2和一氧化碳形成存在，總量和一氧化碳形成存在，總量為為7.210的的11次方次方 噸，水圈中以多種形式存在，噸，水圈中以多種形式存在，生物庫則主要以有機物存在，海洋中含碳量是大氣生物庫則主要以有

43、機物存在，海洋中含碳量是大氣中含碳量的中含碳量的50倍，為倍，為3.8410的的13次方次方 噸。噸。 2/28/202291地球上存在的碳及其每年間的移動量(億噸) 碳被同化等碳被同化等10001000氧氧化化分分解解等等10001000人人類類活活動動7070不不明明20203030放放出出10001000吸吸收收10001000海洋海洋6 610105 5石灰石石灰石4 410108 8巖石土壤等巖石土壤等7 710107 7 石油煤石油煤 6 610104 4大氣大氣700070002/28/202292碳在地球上的輪回轉(zhuǎn)世 釋放釋放CO2的庫，稱為的庫，稱為“源源”（Source）；

44、吸收為）；吸收為CO2的庫，稱為的庫，稱為匯匯(Sink)。巖石圈中的碳借助于巖石。巖石圈中的碳借助于巖石的風化和溶解，化石燃料的燃燒以及火山爆發(fā)等可的風化和溶解，化石燃料的燃燒以及火山爆發(fā)等可重返大氣圈和水圈。貯存在動植物體內(nèi)的碳也可因重返大氣圈和水圈。貯存在動植物體內(nèi)的碳也可因燃燒死亡后細菌分解等途徑轉(zhuǎn)化，將燃燒死亡后細菌分解等途徑轉(zhuǎn)化，將CO2釋放于大釋放于大氣中。陸地生態(tài)系統(tǒng)也與大氣迅速交換氣中。陸地生態(tài)系統(tǒng)也與大氣迅速交換CO2，但其，但其循環(huán)周期要數(shù)十年。地球早期陸地未被現(xiàn)代大氣循環(huán)周期要數(shù)十年。地球早期陸地未被現(xiàn)代大氣CO2飽和，故當大氣飽和，故當大氣CO2增加時，陸地植物是人為

45、增加時，陸地植物是人為碳的潛在碳匯。大氣中碳的潛在碳匯。大氣中CO2不斷在海洋表面與之交不斷在海洋表面與之交換換CO2，但海洋表面吸收，但海洋表面吸收CO2的能力卻隨大氣中的能力卻隨大氣中CO2的濃度增加而降低。的濃度增加而降低。 2/28/202293Carbon cycle2/28/202294溫室效應(yīng) 什么是溫室效應(yīng)？什么是溫室效應(yīng)？ 是如何形成的？是如何形成的？2/28/202295溫室效應(yīng) 溫室效應(yīng)是大氣吸收太陽熱的一種效應(yīng)，溫室效應(yīng)是大氣吸收太陽熱的一種效應(yīng)，起主要作用的是大氣中被稱為溫室氣體起主要作用的是大氣中被稱為溫室氣體的微量氣體，包括的微量氣體，包括CO2、甲烷、水蒸氣、甲烷、水蒸氣、氯氟烴等，它們比其它氣體傳遞氯氟烴等，它們比其它氣體傳遞紅外輻紅外輻射的效率更差射的效率更差，使能量在對流層中積累，使能量在對流層中積累，這些氣體濃度的增加將使氣候變暖。這些氣體濃度的增加將使氣候變暖。 2/28/202296Carbon cycle2/28/202297溫室效應(yīng)隨人類繁衍增多以及生活水平的