引发 » 科学 » 地质学 » 自然界中的碳：位置、特性和用途
碳是自然界中的基本元素，以多种形态存在，并在各种生物和工业过程中发挥着至关重要的作用。本文将探讨碳在自然界中的位置、其物理和化学性质，以及这种用途广泛且对地球生命至关重要的元素的主要用途。
碳在自然界中的位置：探索在哪里可以找到这种基本元素。
碳是自然界中广泛存在的必需元素。它存在于所有生命形式中，是碳水化合物、蛋白质、脂质和核酸等有机化合物的一部分。此外，碳也存在于钻石、石墨和煤等无机材料中。
在大气中，碳以二氧化碳的形式存在（CO2)，一种对地球生命循环至关重要的气体。植物进行光合作用，吸收 CO2 并将其转化为氧气和葡萄糖，作为生物的食物。
在土壤中，碳存在于分解的有机物中。分解微生物分解有机残留物，并在此过程中释放二氧化碳。这一分解循环对土壤肥力和生态系统健康至关重要。
碳也存在于地下储层中，例如石油、天然气和煤炭矿床。这些化石燃料是社会各个领域（例如交通运输、发电和工业）使用的能源。
简而言之，碳在自然界中以各种形式存在于各种位置，在维持生命和生态系统功能方面发挥着根本性作用。了解这一元素的重要性并寻求可持续利用的方法，以确保环境平衡和地球健康，至关重要。
碳的特性：了解这种对生命至关重要的化学元素的特性。
碳是地球生命的基本化学元素，存在于各种有机和无机化合物中。其独特的特性使其成为复杂分子和生物结构形成的关键。了解碳的一些特性：
1. 多功能性： 碳能够与其他碳原子和其他化学元素形成共价键，这使其化合物具有多样性。
2.稳定性： 碳形成强键，使其分子稳定并抵抗化学和物理变化。
3.接触网容量： 碳具有在长支链中与自身结合的能力，从而能够形成复杂的分子，例如聚合物。
碳在自然界中以多种形式存在，是生物体、钻石和石墨等矿物以及化石燃料的主要成分。它的存在对于光合作用和细胞呼吸等生物过程至关重要。
在工业领域，碳用于生产塑料、橡胶、合成纤维等材料，以及制造钢铁和金属合金。碳的多功能性和丰富性使其成为各个科学技术领域不可或缺的元素。
碳的位置：探索这种元素在自然界和工业中的位置。
碳是一种广泛存在于自然界和工业领域的化学元素。在自然界中，碳以各种形式存在，例如煤炭、石油、天然气、沉积岩，以及大气中，主要以二氧化碳 (CO2) 的形式存在。此外，碳存在于所有生物体中，是构成生物体的有机分子的一部分。
在工业领域，碳有着广泛的应用。碳的主要工业用途之一是通过铁的碳化过程用于钢铁生产。此外，碳还用于制造塑料、橡胶、油漆、溶剂、药品以及其他各种化学产品。
碳是一种用途广泛的元素，在自然界和工业领域发挥着基础性作用。它能够与其他元素结合形成各种化合物，是地球上生命不可或缺的元素。因此，了解碳的分布和特性，对于可持续地充分发挥其潜力至关重要。
碳与自然界的相关性及其对环境的重要性。
碳是一种存在于所有生物体和自然界各种成分中的化学元素。它存在于各种有机化合物中，例如碳水化合物、蛋白质、脂质和核酸。此外，碳还以二氧化碳 (CO2) 的形式存在于空气中，也存在于土壤、水和岩石中。
碳的特性是地球生命的基础。它能够形成稳定多样的化学键，从而创造出种类繁多的分子，这对于生物过程至关重要。此外，碳主要通过形成葡萄糖等化合物来储存生物体的能量。
相关： 渐新世：特征、细分、地质和动物群在环境中，碳在生物地球化学循环中发挥着至关重要的作用。植物的光合作用从大气中吸收二氧化碳，将其转化为氧气和碳水化合物。这一过程有助于调节气候并维持大气平衡。此外，土壤碳对于陆地生态系统的肥力和健康至关重要。
因此，自然界中碳的存在对地球生命至关重要。碳对环境的重要性体现在气候调节、粮食生产和生物多样性的维持上。我们必须采取可持续的做法来保护碳储量，确保地球的健康。
自然界中的碳：位置、特性和用途
O 自然界中的碳 钍存在于钻石、石油、石墨等多种物质中。该化学元素位于元素周期表的第六位，即第2周期，第14列。它是一种非金属元素，具有四价键；也就是说，它可以形成四个共享电子的化学键，即共价键。
碳是地壳中最丰富的元素。这种丰度、其在有机化合物形成过程中的独特多样性，以及在地球典型温度下形成大分子或聚合物的卓越能力，使其成为所有已知生命形式的共同元素。
图 1. 矿物形式的碳。资料来源：Rdamian1234 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]，来自维基共享资源碳在自然界中以非化合态的化学元素存在，例如石墨和金刚石。然而，碳通常以化合态的形式存在，形成碳化合物，例如碳酸钙（CaCO 3 )以及石油和天然气中的其他化合物。
碳还形成了多种矿物，例如无烟煤、煤、褐煤和泥炭。碳最重要的作用在于它被称为“生命的基石”，存在于所有生物体中。
碳在哪里以及以何种形式存在？
碳除了是所有生命形式中的共同化学元素外，自然界中的碳还以三种晶体形式存在：金刚石、石墨和富勒烯。
煤还有各种非晶态矿物形式（无烟煤、褐煤、煤、泥炭）、液态形式（各种油）和制冷剂（天然气）。
结晶形式
在晶体形式中，碳原子结合在一起形成具有几何空间排列的有序图案。
石墨
它是一种柔软的黑色固体，具有金属光泽，耐热（耐火）。其晶体结构由碳原子连接成六边形环，进而形成片状。
石墨矿藏稀少，在中国、印度、巴西、朝鲜和加拿大均有发现。
Diamond (钻石)
它是一种非常坚硬的固体，对光透明，并且比石墨密度大得多：钻石的密度几乎是石墨的两倍。
钻石中的碳原子以四面体几何结构键合在一起。同样，钻石是在极高的温度和压力下由石墨形成的（3000 ° C 和 100 个大气压）。
大多数钻石位于地幔深处140至190公里处。通过深层火山喷发，岩浆可以将它们搬运到地表附近。
非洲（纳米比亚、加纳、刚果民主共和国、塞拉利昂和南非）、美洲（巴西、哥伦比亚、委内瑞拉、圭亚那、秘鲁）、大洋洲（澳大利亚）和亚洲（印度）都有钻石矿床。
图 3. 煤和钻石。来源：XAVI999 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecomfiguramons.org/licenses/by-sa/4.0)]，来自维基共享资源。富勒烯
它们是碳的分子形式，在近乎球形的分子中形成 60 到 70 个碳原子的基团，类似于足球。
还有一些碳原子数小于20的富勒烯。富勒烯的一些形态包括碳纳米管和碳纤维。
图 4.富勒烯。 IMeowbot [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]，来自 Wikimedia Commons非晶态
在非晶态中，碳原子不再结合在一起，形成有序、规则的晶体结构，而是仍然含有其他元素的杂质。
无烟煤
它是最古老的变质矿物煤（由于温度、压力或流体的化学作用而由岩石改变而形成），其形成可以追溯到原生代或古生代，即石炭纪。
无烟煤是碳含量最高的非晶态物质，含碳量在86%至95%之间。它呈灰黑色，有金属光泽，质地沉重致密。
无烟煤一般分布在地质变形地区，约占世界煤炭储量的 1%。
从地理上看，它分布于加拿大、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、中国、澳大利亚和哥伦比亚。
图 5. 无烟煤，最古老、含碳量最高的碳元素。Educerva [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) 或 GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)]，来自维基共享资源相关： 奥陶纪：特征、地质、植物群、动物群煤炭
煤是一种矿物，属于有机沉积岩，其形成可追溯到古生代和中生代。其碳含量在75%至85%之间。
它呈黑色，外观不透明、无光泽、油腻，因为含有大量的沥青。它是由古生代（石炭纪和二叠纪）褐煤挤压形成的。
它是地球上最丰富的煤炭资源。美国、英国、德国、俄罗斯和中国都拥有丰富的煤炭储量。
褐煤
它是第三纪泥炭经高压压缩而形成的化石煤。其碳含量低于煤炭，在70%至80%之间。
它是一种致密而脆的物质（这一特征使其区别于其他含碳矿物），呈棕色或黑色。其质地类似于木材，含碳量在60%至75%之间。
它是一种易于点燃的燃料，热值较低，含水量比泥炭低。
德国、俄罗斯、捷克共和国、意大利（威尼托、托斯卡纳和翁布里亚）以及撒丁岛都拥有重要的褐煤矿。西班牙的褐煤矿床位于阿斯图里亚斯、安道尔、萨拉戈萨和拉科鲁尼亚。
Turfa
它是一种有机来源的物质，其形成可以追溯到第四纪，比以前的煤炭要晚得多。
它呈棕黄色，呈低密度海绵状，其中可以看到原产地的植物残骸。
与上述煤炭不同，泥炭不是来自木质材料或木材的碳化过程，而是由植物（主要是草和苔藓）在沼泽地区通过尚未完成的碳化过程积累而成。
泥炭含水量高，因此使用前需要干燥和压实。
它的含碳量较低（仅为55%），这意味着它的能量值较低。燃烧时，灰烬残留量大，并会产生大量烟雾。
智利、阿根廷（火地岛）、西班牙（埃斯皮诺萨德塞拉托、帕伦西亚）、德国、丹麦、荷兰、俄罗斯、法国都有重要的泥炭矿床。
图 6. 泥炭沉积物。Christian Fischer [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) 或 CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]，来自 Wikimedia Commons石油、天然气和沥青
石油（拉丁 佩特雷 ，意思是“石头”； 发烟硫酸 ，意为“石油”、“岩石油”）是由几种有机化合物（大多数是碳氢化合物）通过厌氧细菌分解（在无氧条件下）有机物而产生的混合物。
它是在地下深处、特殊的物理（高压和高温）和化学（存在特定的催化化合物）条件下形成的，这个过程历时数百万年。
在此过程中，C和H从有机组织中释放出来，重新结合形成大量的碳氢化合物，这些碳氢化合物根据其性质混合，形成天然气、石油和沥青。
全球油田主要分布在委内瑞拉、沙特阿拉伯、伊拉克、伊朗、科威特、阿联酋、俄罗斯、利比亚、尼日利亚和加拿大。
俄罗斯、伊朗、委内瑞拉、卡塔尔、美国、沙特阿拉伯、阿联酋等国均有天然气储量。
物理和化学特性
在碳的特性中，我们可以提到以下几点：
化学符号
C.
原子序数
6
物理状态
固体，在常压和常温条件下（1 个大气压和 25 ° C）。
哥林多前书
灰色（石墨）和透明（钻石）。
原子质量
12,011 克/摩尔。
熔点
500 ° C.
沸点
827 ° C.
密度
2,62克/厘米 3 .
溶解度
不溶于水，溶于四氯化碳CCl 4 .
电子配置
1s 2 2s 2 2p 2 .
外壳或价电子层中的电子数
4)
链路容量
4)
餐饮
它具有形成长链化合物的能力。
生物地球化学循环
碳循环是一个循环的生物地球化学过程，通过该过程，碳可以在地球的生物圈、大气圈、水圈和岩石圈之间进行交换。
了解地球上的碳循环过程使我们能够展示人类在这一循环中的行为及其对全球气候变化的影响。
碳可以在海洋和其他水体之间循环，也可以在岩石圈、土壤和地下、大气圈和生物圈之间循环。在大气圈和水圈中，碳以气态碳（CO）的形式存在。 2 （二氧化碳）。
光合作用
大气中的碳被产生生态系统的陆地和水生生物（光合生物）捕获。
光合作用允许 CO 和 2 和水，在太阳能和植物叶绿素的介导下，产生碳水化合物或糖。这个过程将简单的、低能量的二氧化碳分子转化为 2 ， H 2 O和氧气 2 ，转化成复杂的高能分子形式，即糖。
相关： 在你到达地球之前，重力可能会第二次发生变化？异养生物不能进行光合作用，是生态系统的消费者，它们通过以生产者和其他消费者为食来获取碳和能量。
呼吸和分解
呼吸和分解是生物过程，以二氧化碳的形式将碳释放到环境中 2 或 CH 4 （在厌氧分解过程中产生的甲烷；即在没有氧气的情况下）。
地质过程
通过地质过程和时间的流逝，厌氧分解碳可以转化为石油、天然气和煤炭等化石燃料。同样，碳也存在于其他矿物和岩石中。
人类活动的干扰
当人类使用化石燃料作为能源时，碳会以大量二氧化碳的形式返回到大气中 2 无法被自然生物地球化学碳循环吸收。
过量的 CO 2 人类活动产生的温室气体对碳循环平衡产生负面影响，是全球变暖的主要原因。
图2. 生物地球化学碳循环。Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg：用户 Kevin Saff，来自 en.wikipedia 衍生作品：FischXTranslation：Tomás Clarke [公共领域]，来自 Wikimedia Commons使用
碳及其化合物的用途极其广泛。其中最突出的是以下几种：
石油和天然气
碳的主要经济用途是作为化石燃料碳氢化合物，例如甲烷气体和石油。
石油在炼油厂经过提炼可获得各种衍生物，如汽油、柴油、煤油、沥青、润滑剂、溶剂等，这些衍生物又可用于石化工业，生产塑料、化肥、药品和油漆等工业的原材料。
石墨
石墨用于以下作用：
– 它与粘土混合，用于制造铅笔。
– 这是制备耐热耐火砖和坩埚的一部分。
– 在各种机械装置中，例如垫圈、轴承、活塞和密封件。
– 它是一种优良的固体润滑剂。
– 由于其电导性和化学惰性，它被用于制造电动机的电极和碳。
– 它被用作核电站的减速剂。
Diamond (钻石)
钻石具有特别优异的物理特性，例如迄今为止已知的最高硬度和热导率。
这些特性使其具有高磨蚀性，可用于制造切割和抛光仪器的工具的工业应用。
它的光学特性（例如透明度以及分解白光和折射光的能力）在光学仪器中具有许多应用，例如在透镜和棱镜的制造中。
其光学特性所产生的独特光泽在珠宝行业也受到高度赞赏。
无烟煤
无烟煤不易点燃，燃烧速度慢，需要氧气，燃烧时火焰呈细长淡蓝色，发热量大。
几年前，无烟煤曾用于火力发电厂和家庭供暖。它具有灰分或粉尘产生量低、烟尘少、燃烧过程缓慢等优点。
由于经济成本高且资源稀缺，无烟煤已被火力发电厂的天然气和家庭电力所取代。
煤炭
以煤为原料可获得：
– 焦炭，钢厂高炉的燃料。
– 杂酚油，通过混合煤焦油馏出物获得，用作裸露木材的保护密封剂。
- 从煤中提取的甲酚（化学名称为甲基苯酚），用作消毒剂和防腐剂，
– 其他衍生物，例如气体、焦油或沥青，以及用于制造香水、杀虫剂、塑料、油漆、轮胎和路面等的化合物。
褐煤
褐煤是一种中等质量的燃料。喷气煤是褐煤的一种，其特点是结构非常紧凑。
由于碳化过程长、压力高，碳化效果好，可用于制作珠宝和装饰品。
Turfa
泥炭用于以下活动；
– 用于植物物种的生长、支持和运输。
– 作为有机肥料。
– 就像马厩里的动物床一样。
– 就像劣质燃料。
参考文献
Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. 和 Price, G. (2017). 化学3：无机、有机和物理化学导论。牛津大学出版社。
Deming, A. (2010). 元素之王？纳米技术 21 (30): 300201. doi: 10.1088
Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. 和 Zandbergen, H. (2004). 石墨的超润滑性。《物理评论快报》。92 (12): 126101. doi: 10.1103
Irifune, T.、Kurio, A.、Sakamoto, S.、Inoue, T. 和 Sumiya, H. (2003)。材料：由石墨制成的超硬聚晶金刚石。《自然》421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
Savvatimskiy, A. (2005). 石墨熔点测量及液态碳性质（1963-2003年综述）。《碳》43 (6): 1115. doi: 10.1016