炭素材料-chapter1.ppt

2019/10/3,1,炭素材料 Carbon material,张传祥 矿物加工工程系 材料科学与工程学院,2019/10/3,2,Chap. 1 炭材料基础,2019/10/3,3,Outline,碳元素 碳的特性 碳的同素异形体 炭材料的结构与特性 碳循环 形形色色的炭材料,2019/10/3,4,Question,为什么世界如此的丰富多彩？,形成多彩物质的关键是什么？,你对碳炭有何认识？,碳有那些同素异形体？,炭材料的性能取决于什么？,炭材料有何特性？,炭材料应用在那些方面？,2019/10/3,5,2019/10/3,6,Diamond & Graphite,2019/10/3,7,碳是个什么东西？,碳为什么有碳原子、碳分子，又有碳元素，它们之间有什么不同？ 为什么性质不同、形貌迥异的石墨和金刚石都是碳？ 为什么有碳原子中有碳12又有碳14，两者有何区别？ 碳到底是个什么东西？ ？,2019/10/3,8,碳是个什么东西？,随着数千年文明的发展，人类不断从宏观和微观两个方面拓宽知识，对物质世界的认识已经可以跨越42个数量级。 宏观上，目前观测所及的宇宙空间范围已可达到1026-1027（1后面26-27个零）米 微观上，已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小仅为10-16（小数点后面16个零）米。人们现在已经知道整个宇宙是由不同物质组成，物质的种类有几千万种以上，但组合搭配形成这些物质的元素却并不多，已知自然界存在的仅九十（？）多种，加上人造的总共也只有？种，碳就是这些元素当中的一个，但又是极为特殊的一个。,2019/10/3,9,2019/10/3,10,碳是个什么东西？,原子是由原子核和不同数量、围绕其旋转并带有一个单位负电荷的电子所组成。电子是质量很小的微粒,在原子核外作高速运动，原子核则是由带正电荷的质子和不带电荷但有一定质量的中子所组成。这些都是我们从初中课本中已经获得的知识。由于不同原子中有着不同数量的质子、中子和电子,因此它们的性质便有了很大的变化。元素则是具有相同原子序数或相同核电荷数（即质子数）的同一类原子，碳元素就是所有碳原子的总称，而碳通常是碳元素的简称。,2019/10/3,11,碳元素,2019/10/3,12,碳元素的原子结构,2019/10/3,13,碳元素在周期表中的位置,化学是研究物质及其变化和应用的一门科学。化学中用不同的英文字母来表示不同的元素，用一个字母时为大写，用两个字母时为一个大写一个小写，它们被称之为化学符号(或元素符号)。例如用“H”表示氢，用“O”表示氧，用“Fe”表示铁等等，碳的化学符号为“C”。原子是化学变化中的最小微粒，从宏观上看物质是由不同元素或化合物所组成，从微观上看则是由分子、原子或离子所组成。后来人们进一步发现各种元素的性质会随着其原子序数（核电荷数）的递增周期性地变化，这是因为元素原子核外电子排布周期性变化而导致的结果。这样，便可将一百多种元素排列归类形成一个化学元素周期表。,2019/10/3,14,碳元素在周期表中的位置,2019/10/3,15,碳的特性,碳的原子序数为6，其原子量为12.011。已知自然界有三种同位素，其中12C为98.9，13C为1.10，放射性同位素14C仅为极少量。 已知的同位素有多少？,2019/10/3,16,碳的特性,已发现碳原子的同位素有13种，即从8C（左上8表示原子质量数，左下6表示质子数）至20C，其中12C（碳12）和13C为稳定同位素，各自的平均相对丰度分别为98.9%和1.108%。其余同位素均为放射线同位素，其中除14C（碳14）的半衰期为 5730年，人们可感到其存在外，其余的同位素由于半衰期很短，如16C仅为0.74秒，17C仅有20毫秒,即0.02秒,所以无太大意义。,2019/10/3,17,碳的特性,大气中的碳12和碳14按一定的比例保持不变，即每克碳中仅有百万分之13.56的碳14。利用碳14的半衰期，人们可以估计含碳物质，如树木、骨头和含生物分子的化石的年岁，即所谓碳14监年法，也称为碳年代测定法（carbon dating）。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有与天然同位素丰度一致的原子重量所占百分比计算的平均值，所以碳元素的原子量不是12.000而是12.001。,2019/10/3,18,碳的特性,由于电子、质子和中子都有一定的质量，不同原子的核电荷数不同各种原子的质量也就会不一样。原子的绝对重量极小，难以直接称量，故最早用原子中最轻的氢原子重量为1来测定其它元素的相对原子量，后来又将自然界存在的氧原子的平均原子量等于16.0000作为基准。考虑到碳元素在自然界的丰富程度以及它又有很强与其它元素结合的能力，所以国际上从1961年起为了避免混乱，统一将12C（碳12，其原子质量数，即质子数与中子数之和为12的碳原子）作为基准定为统一原子量的标度，其相对原子量被精确地定为12.0000，所有其它的原子和分子均参照它来确定各自的质量，从而使物理化学数据更为精确。,2019/10/3,19,碳的同素异形体,什么叫同素异形体？ 碳有多少同素异形体？ 为什么碳能够形成如此多的同素异形体？,2019/10/3,20,碳的同素异形体,碳原子有极强的化学成键能力，周期表的所有元素中只有碳是能够形成更多价键的原子，也只有碳才是能形成结构数更多的元素。 由同种元素组成的纯净物叫做单质，同一种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性(或同素异形)体。,2019/10/3,21,碳的同素异形体,2019/10/3,22,碳的同素异形体,早年人们认为碳的同素异形（性）体只有石墨和金刚石，然而近30年来，人造金刚石、零维富勒烯、一维纳米碳管以及二维石墨烯这些新的碳同素异形体的发现、获得以及各自特殊性能的研究给我们带来不断的惊喜，碳元素多次成为“明星分子”。碳还能继续带来新的惊喜吗? 碳元素完全有可能再次成为“明星分子”，也将给我们带来更多的惊喜，其原因就在于碳有无穷无尽的同素异形体，而其中大多数我们现在都还没得到，其性能更是不很清楚，新的碳同素异形体的研究和开发，就完全有可能给我们再次带来新的惊喜。,2019/10/3,23,碳的同素异形体,2019/10/3,24,碳的同素异形体,碳的原子序数为六，共有6个电子。碳原子在基态时,其电子在能量从低到高的电子层内配置为：第一层的1s2有两个核心电子；第二层的2s2和2p2有4个更弱的能成键的电子，被称为价电子，它们在形成碳单体和化合物的价键中起重要作用。绝大多数情况下，碳原子2s电子亚层中的一个电子可受激发跳到2p电子亚层的一个空轨道中。这样就形成2s和2px 、2py和2pz四个能成键的价电子。,2019/10/3,25,然而，这4个轨道在不同情况下又会相互混杂成杂化原子轨道。在sp杂化时，碳原子2s的一个轨道只和2p的一个轨道，例如2px进行杂化形成sp杂化轨道，它们在键合时形成两个键，而剩下的2py和2pz，则会形成2个键。碳原子以键结合时，两原子间的电子云在轨道的长轴方向结合，即形成头对头的叠合；而以键结合时，则在轨道的长轴方向平行靠拢，即成为肩并肩的叠合。在sp2杂化时，碳原子2s的一个轨道和2p的两个轨道，例如2px和2py进行杂化形成sp2杂化轨道，形成3个键，而剩下的2pz，则会形成一个键；而在sp3杂化时，碳原子2s的一个轨道和2p的全部3个轨道杂化，形成4个键。轨道的电子在碳材料中起着独特的作用，电子可说是形成物质的骨架基础，而电子则是发挥物质功能的根源。,轨道杂化,2019/10/3,26,Forms of bonding in Carbon,sp2,sp3,Very flexible bonding: richness of structures,2019/10/3,27,轨道杂化,2019/10/3,28,碳键,2019/10/3,29,碳的同素异形体,碳原子的6个电子中能成键的4个电子，随其占有轨道的不同组合，在碳原子相互结合或与其他原子形成化合物时，基本上可以产生三种不同的化学键，即单键、双键和三键。包括地球在内的宇宙时空内有丰富的碳单质和碳的各种化合物，它们都是这些杂化碳原子的产物。,2019/10/3,30,碳的特性,价键轨道的杂化。除了内部有球状ls轨道含两个键合力很强的核心电子外再没有其他内部轨道，故有利于碳进行包括仅有的2s和2p价键轨道的杂化，除单键外它还能形成稳定的双键和叁键。第族的硅(原子序数为14)和锗(原子序数为32)由于原子序数更大，有更多的电子亚层，受内层中其他内部轨道所影响，基本上只能形成sp3杂化而没有sp2和sp杂化。因它们结合半径比碳大而不能形成稳定的双键。这也正是硅和锗不能像碳那样形成大量有机化合物和众多同素异形体的原因。,2019/10/3,31,碳的特性,比碳原子结合半径更小的氮和氧(C为0.0772nm，N为0.070 nm，O为0.066nm)等有可能形成多重键，但它们的最外层电子数过多，这些电子相互间可形成孤电子对。这样，使参与成键的电子数减少到只剩23个，而且在成键的两个原子中若都具有孤电子对，则相互之间还会排斥。价电子数少意味着可形成的结构数少，参与成健的原子中，孤电子对之间的电相斥会使两者之间结合能变小。结果周期表的所有元素中只有碳是能形成更多价键的原子，也只有碳才能形成结构数更多的元素，也即是有更多变化和更多同素异形体的元素。正因为此，碳原子最外层的电子全部与键合有关，碳碳间成键的距离最小，没有相互排斥的孤电子对，因而有特别大的键合能。碳原子间独持的链接能力(本身成键)，使之能形成链、环和网状等各类结构。,2019/10/3,32,碳的同素异形体,碳元素的所有神奇特性都是由于它们处在这一不上不下，不左不右的特殊位置所致。,2019/10/3,33,碳的同素异形体,2019/10/3,34,碳的同素异形体,2019/10/3,35,碳的特性,电子的独特作用。当碳原子进行spn (n3)杂化时，n+1个电子属于杂化的轨道，而剩下未杂化的4-(n+1)个2p原子轨道的电子形成轨道。电子是在原子和原子的结合轴方向进行分布，与键合关系密切，键能较大；电子则是在垂直于原子和原子结合轴的方向展开，和原子间的结合力弱，键能较小。 电子对光、电、磁十分敏感。共轭高分子中的电子对光、电等物理刺激比硅半导体响应更快，电子可以说是形成物质骨架的基础，而电子则是发挥物质功能的根源。 高分子中电子分布(电子空间)成为产生化学反应和光学合成等生体功能的基本“场”；这种非定域的电子决定有机化合物及生化物质的各种物性方面起着重要作用。碳键的稳定性，特别是能通过键形成多重键是碳科学的主要特征。,2019/10/3,36,同分异构体,2019/10/3,37,Diamond,2019/10/3,38,Diamond,2019/10/3,39,Diamond,2019/10/3,40,Diamond,2019/10/3,41,Graphite,2019/10/3,42,Graphite,2019/10/3,43,Graphite diamond,2019/10/3,44,尺度问题,纳米(nanometer)是一个长度的单位。1纳米 = 十亿分之1米(10-9 meter)，约为分子或DNA的大小，或是头发宽度的十万分之一。,2019/10/3,45,尺度问题,2019/10/3,46,Building block: benzene molecule,/wiki/Aromaticity,2019/10/3,47,Building block: benzene molecule,pz states p state,(1957),2019/10/3,48,Graphene,2019/10/3,49,Nano-carbon,2019/10/3,50,炭材料的性能,2019/10/3,51,炭材料的特性,2019/10/3,52,炭材料的特性,最硬(金刚石) 最软石墨 绝缘体(金刚石) 半导体(石墨) 良导体(石墨烯) 绝热体(石墨层间) 良导热体(金刚石) 全吸光(石墨) 全透光(金刚石)等。,2019/10/3,53,单质碳的“七十二变”,金刚石被人们看作宝石的“钻石”，其基本成分不过是碳而已。有机物含有的碳在地下数百公里的地幔中，受到长期的热挤压，就会变成金刚石。2007年，媒体爆出一则吸人眼球的消息：德国作曲家贝多芬的头发被制成一颗璀璨的蓝钻，这是第一颗用名人或者历史人物身上的碳制出的钻石。,2019/10/3,54,单质碳的“七十二变”,数百年前，人们喜欢剪下几缕头发，放在盒子里作为永久保存。美国康涅狄格档案大学校长因为收藏最有价值的名人物品和历史人物毛发最多而被载入吉尼斯世界纪录大全，其收藏的人物毛发中也有贝多芬的。2007年他决定将这位著名作曲家的头发赠给英国“生命珍宝”公司进行慈善拍卖。经鉴别后，该公司的专家们在无氧的情况下将头发进行焚烧，从10根头发中得到130毫克炭，然后分成3份，让每份炭在3000摄氏度的高温，约7万大气压力下放置2周，就可使其转化成钻石。,2019/10/3,55,最后，所得这些钻石被切割成圆形，打磨后通过了鉴定；一颗钻石被送回档案大学收藏，另一颗钻石被放在生命珍宝公司的档案馆展出，第三颗钻石在 “eBay（电子港湾）”网上进行慈善拍卖,接受世界各地买主的竞标。据称该钻石有望以50万英镑售出，并决定将销售所得直接捐给为重病或者患病晚期儿童实现愿望的“梦想成真”慈善组织，使这颗历史人物的钻石有机会帮助很多需要救助的孩童。图1是贝多芬画像，图是所制得的钻石及其与琴键比较的照片。,2019/10/3,56,单质碳的“七十二变”,其实，早在2004年就已出现由动物骨灰中的碳做成的钻石，并已流行于法国、德国和西班牙等国，深受一些动物生前主人的喜爱。2007年初，瑞士“Algordanza（回忆与纪念）”公司又推出将人体骨灰制作成钻石的服务，人类尸体火化后的骨灰重量一般为2500克至3000克，大约500克骨灰就足以制成一颗钻石。这些人造钻石依据大小和切工的不同，售价在3750欧元至1.5万欧元不等。 已有不少死者家属订制了这种骨灰钻石。他们希望将已故的父亲、母亲或是配偶的骨灰变成钻石后永远珍藏起来，作为一个神秘而有意义的永恒纪念物。,2019/10/3,57,单质碳的“七十二变”,人发和骨灰要变成钻石，首先需将其中有机物内的碳元素分离出来，人发可如制炭纤维那样经固相炭化形成炭。但人体骨灰的成分中却有85%是钾和钙，因此在制作钻石的过程中，首先要把其中碳成分与钾和钙分离。然后，和人发所形成的炭一样，使提取出来炭在高温高压下结晶成碳的同素异形体石墨。最后，再对石墨施以更高的温度和压强，使之结晶成钻石。整个制作过程大约用时6至8周；相比之下，天然钻石的形成却需要上千年。钻石形成后，还需打磨和雕琢并将其镶嵌在戒指或项链上。根据骨灰钻石的大小，据称制作费用在4400美元至1.67万美元不等。,2019/10/3,58,单质碳的“七十二变”,任何有机物都可以通过气相、液相或固相炭化形成炭。尽管有时炭中还含有极少量的其它元素，但基本上也可以看作是单质碳，它们有时也被称为无定形碳、非晶质碳或过渡态碳，即未形成石墨结构或金刚石等晶态结构的单质碳。 单质碳有着无穷无尽的同素异性（形）体，它们有完全不同的形态和迥异的物化性质。但是任何一种单质碳都可以如同孙悟空的“七十二变”那样，能变来变去。当然，这种变化不是其本身的能力，而是由人们意志所创造的条件。下图是有机物转化成碳及各种单质碳的同素异性（形）体转化的简单示意图。,2019/10/3,59,2019/10/3,60,碳从哪里来？,早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文元素的产生，提出所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚而成的。 1932年匈牙利天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸概念。他根据任何事物都是从简单到复杂的规律，认为整个宇宙最初是聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了现代的宇宙。 1956年，美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据，发现氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少，但到了铁时又会突然增多，而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。 1948年，美籍俄国天体物理学家伽莫夫考虑到，如果按照爱因斯坦的广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出宇宙的演化历史。,2019/10/3,61,碳从哪里来？,世间万物都在运动变化，都有各自的起源和演化规律，碳元素也不例外，也在不断演变和进化，也有其起源和演化的规律。那么碳是从哪里来的呢？,2019/10/3,62,碳从哪里来？,伽莫夫和他的学生阿尔文及朋友贝瑟一起将他们的论文化学元素的由来投给著名的刊物物理学评论，这篇文章最后按照三位作者名字第一个字母的希腊文读音，被称之为理论。这一文章在勒梅特想法的基础上，完整地提出了他们的大爆炸宇宙模型，提出宇宙起源于大约150亿年前一次巨大的爆炸，由最早时期温度极高且密度极大，体积极小的一个“奇点”迅速膨胀而形成，是一个由热到冷、由密到稀不断膨胀的过程，犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据天文观测和爱因斯坦的相对论，现代天文学界和物理学界都一致认同宇宙诞生的大爆炸理论。,2019/10/3,63,碳从哪里来？,20世纪60年代，这个预言果然被天文学家在对宇宙进行观测后证实，这也就使大爆炸宇宙模型成为宇宙学界的标准模型。它与粒子物理学中的夸克模型、生物学中的DNA双螺旋结构模型和地质学中的板块模型一起，并称为20世纪科学界最著名的四大科学模型。,2019/10/3,64,碳从哪里来？,在此基础上，1954-56年间福勒（Fowler）与伯比奇夫妇 (E. M. Burbidge和G. R. Burbidge) 以及霍伊尔 (F. Hoyle) 合作，对恒星中的核反应进行了一系列的研究。1957年，他们全面阐述了恒星中化学元素的核合成，在现代物理评论上发表了后来简称为B2FH（四作者名的第一个字母）理论的著名论文。该论文指出了恒星的演化方向以及与恒星演化各阶段相应的8种核合成过程，提供了计算恒星内部结构的客观基础，阐明了超新星爆发和大质量恒星演化的关系。,2019/10/3,65,碳从哪里来？,美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP) 探测到的宇宙膨胀过程,2019/10/3,66,碳从哪里来？,根据最近标准宇宙论模型以及B2FH理论，比较一致的认为是：宇宙是在不断地进行膨胀和收缩循环，既没有开始，也没有结束，我们处在的这一轮循环是大约137亿年前由收缩到非常致密的小质点爆炸后产生的。大爆炸后的极短时间内（10-30秒）宇宙便加速暴胀，目前正处于缓慢膨胀的初期，仍在继续膨胀。在爆炸后的百万之几秒，温度达1千亿度（1011 k ），形成一种超炽热、极致密、由一些被称为夸克(quark)和胶子(gluon)的粒子组成，它们四处游荡，横冲直撞。,2019/10/3,67,碳从哪里来？,随后少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子又参加进来。这时混合物的温度可高达上万亿，比太阳核心还要炽热10万倍以上。但是，温度会随着宇宙的膨胀而直线下降，就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度也大为减慢，以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。随着宇宙的膨胀，当其冷却至1百亿度时，夸克通过胶子传递的强作用力组成亚原子粒子质子和中子，后者又进而形成原子核。当电磁力起作用时，原子核捕捉电子后形成一些最轻的氢和氦原子，这一过程仅三分钟。,2019/10/3,68,碳从哪里来？,在大爆炸10亿年后，宇宙冷却到4000K时，最初形成的氢、氖、氦等元素组成原始星际物质，靠引力收缩形成原始恒星团块，此时温度又逐渐升高，当温度达到700万K时，原子中电子脱除，仅剩原子核，高温高压下它们因热运动碰撞，两个轻原子核熔合在一起成为一个重原子核。在温度为1101110万K的恒星中，主要产生质子质子热核反应，氢核聚变转化为氦。,2019/10/3,69,碳从哪里来？,当恒星中心温度和压力提高至氦被点燃时，氦芯收缩而外层膨胀和冷却，变成了红巨星。按照B2FH理论，通过3过程，三个氦原子可聚变成一个碳原子。这一过程由两步完成，先是两个粒子(即4He原子核)形成8Be，但后者寿命仅10-16秒，然后再捕获一个粒子，形成12C。因此，碳是完全在星球内部形成的第一个最轻的元素。若星球核心进一步收缩至6亿度以上的高温，则碳继续聚变产生氧、镁等原子核。如果没有形成碳的3过程，就不可能进一步形成其它重元素。,2019/10/3,70,碳从哪里来？,光在形成质子数为26的铁之后，核聚变不再是放热反应，此时核心产生的震动波与外层的物质相撞，释放大量能量产生更多热核反应，从而形成更多比铁更重的元素。恒星外层炸掉，形成所谓超新星爆炸，一系列热核反应生成的各种元素也被散布到宇宙各处。据估计太阳中每106氢核有215个碳原子，宇宙中106氢核中有85个碳原子，而恒星包覆物及环绕其外围中碳/氧1的富碳星每年可产生固态C的速率约为0.002M（M为太阳的质量）。,2019/10/3,71,碳从哪里来？,在温度为 5107K的最早恒星中，会以更高速率产生必要量的碳来催化氢的燃烧。太阳中心温度为1500万度，而质量1.5M的恒星，其核心温度可达3000万K以上，此时主要是：“碳氮氧循环”（也称“碳循环”）反应。在此反应中，碳作为中间物起催化作用，所以碳在恒星发光发热过程中也起着重要作用。1938年贝特（Bethe ）提出这一碳氮氧循环理论,并因此获得1967年的诺贝尔奖。,2019/10/3,72,碳从哪里来？,从现代观点看，整个宇宙都是大爆炸后热核反应的产物，无论是我们每天看到的太阳，还是我们目前生活的地球都莫不如此。作为物质的一种的碳元素当然也不例外。可以说，我们人体中的每一个碳原子也都是宇宙大爆炸后，在恒星热核反应中燃烧 “灰烬”的产物。 碳是宇宙前期种形成的关键元素,也是地球上最活跃的元素,其存在形式复杂而且在不断地演化:从单一键态，演化到复合键态的多形式碳；从早期的原生碳，演化到无机碳,从无机碳演化到有机碳；碳的单质形态，也从链型向层型、管型、球型和配位型不断转化。,2019/10/3,73,宇宙中的碳,光辉夺目，晶莹剔透的 钻石虽然也是碳元素的一 种形式，但却是年轻女士 在情人节时最期盼的礼物。 地球上最大的钻石有多大？ 宇宙中呢？,2019/10/3,74,宇宙中的碳,地球上已发现的最重钻石是1905年产于南非，重3106克拉的“库里南”钻石原石。按每克拉为0.2克计算，其重量相当于621.2克，尚不足一公斤。 距离我们地球50光年的人马座中，有一颗编号为“BPM37093”星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗钻石。它的直径为4000公里，重量达10的34次方 克拉，即210的27次方 吨，天文学家根据披头式乐队的歌曲“天空中那是载着钻石的露西”，而将它命名为“露西”。,2019/10/3,75,宇宙中的碳,钻石星球,2019/10/3,76,宇宙中的碳,事实上，它是恒星中核反应完全结束、转化成白矮星之后形成的碳内核，随温度的降低，其中的碳元素就会逐渐形成密度极高的结晶，从而成为银河系中最大的钻石。50亿年之后，太阳也将蜕变成一颗白矮星，然后再经过20亿年，就也将变成一颗闪闪发光的大钻石。,2019/10/3,77,宇宙中的碳,除由恒星直接转化成的大钻石外，也有在恒星周围形成的碳行星。人类已经观察到100多颗太阳系以外的行星。在这些行星中，也有一些是由含有丰富碳元素的气体及尘埃浓缩而成，其中有些行星的主要成分是碳化硅（金刚砂）等。 还有一些行星的表壳最上端可能是石墨，而内部是由于高压作用转化成的天然钻石，其表面还可能有碳氢化合物，也可能形成甲烷之类液体碳氢化合物的湖区或海区。,2019/10/3,78,宇宙中的碳,宇宙中的巴基球,2019/10/3,79,宇宙中的碳,有些科学家甚至认为这些太阳系外的碳元素行星可能存在着生命，甚至智能生命。例如，在年龄仅2000多万年、离地球约60光年、被称之为“贝塔-皮克托里斯”的恒星周围，就发现了直径达3000亿公里的气体尘埃云，其中有大量气态的碳，它们正在形成甲烷和石墨储量极其丰富的行星。2008年美国宇航局发布“卡西尼”飞船探测结果称，土星最大的一颗卫星土卫六的表面湖海中天然气和其它液态碳氢化合物数量惊人，是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。液态碳氢化合物不是以水，而是以甲烷和乙烷的形式存在于土卫六的表面。,2019/10/3,80,宇宙中的碳,对坠落地球的陨星研究表明，其中碳元素的3%以纳米级钻石形态存在。据推算，宇宙尘云中一克尘埃和气体中可能含一万万亿颗纳米级钻石。美国宇航局的“斯皮策”（spitzer）红外线太空望远镜正在进行这方面的搜寻。在宇宙中，碳元素除以钻石、石墨形态存在之外，还有许许多多其他形式。例如利用哈勃望远镜在一棵距地球65光年、如木星般大小、被命为“HD189733”的系列行星上还发现二氧化碳气体。,2019/10/3,81,宇宙中的碳,2019/10/3,82,宇宙中的碳,自1937年发现第一个星际分子以来，已鉴定出的星际分子已超过130多种，而其中的75是含碳分子。碳是扩散星际云中自由电子的主要来源，可以使星际气体加热，因此碳在星际介质物理进化中起重要作用。 整个宇宙的质量中， 95为看不见的黑暗物质、黑暗能量和中微子。星球、彗星、宇宙间气体和灰尘仅占整个宇宙质量5，其中的所有物质均由近100种元素及其300多种同位素组成。宇宙内的所有元素中，碳元素含量所占比例仅为0.3%，但其丰度列第6位。在太阳系的元素和同位素中，按原子比率的顺序碳和氧差不多列第4位，仅低于氢和氦。碳也是形成地球宇宙微粒的主要构成元素，随着不断的演化发展，以碳为骨架，终于在地球上形成了各种动植物繁衍的大千世界。,2019/10/3,83,2019/10/3,84,碳在地球上的轮回转世,地球起源于46亿年前原始星云，随着地球的演化，碳在地球的不同圈层内也在不断地变动和演化。地球中重元素较多，从地表到往下16公里的地层，包括大气层和水圈在内，碳的质量分数仅为0.08%，其丰富程度仅列第14位，远低于氧、硅、铝、铁等元素。但是，碳却是存在形式最复杂的元素。基于碳的极高成键能力和独特的性能，唯有碳，才能够成为太阳能的主要化学能源载体；也只有碳，才能成为构成地球上各种生物体的骨架元素。地球上的碳，除了大部分演化为碳酸盐和化石燃料外,也有极少量在各种特殊条件下转化为单质碳，如石墨和金刚石，甚至还有天然富勒烯和纳米碳管。,2019/10/3,85,碳在地球上的轮回转世,2019/10/3,86,碳在地球上的轮回转世,在各种特殊条件下，碳在宇宙和地球上演化为众多的有机分子(如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸等)，进而发展成能自我重构的大分子，即有遗传信息的原始基因片段。这些原始基因片段利用自身及周围材料，在光能等作用下通过生物化学反应重构自己的躯体，在不同的条件下经过长时间的进化发展，在地球上终于形成了当今包括人类在内、各种动植物繁衍的大千世界。,2019/10/3,87,碳在地球上的轮回转世,地球上所有的“能”均来自太阳。物质可以循环，但能量消耗转化后却不能再生。自养型植物可通过其体内的叶绿素吸收太阳能使低能量的二氧化碳（CO2）和水转化为高化学能的糖类贮存于体内，而异养型动物则要通过食物链由植物或其它动物取得能量来保持自身的机能。生物通过有控制的呼吸作用缓慢地燃烧糖类释放出CO2，同时产生能量供生物体维持其生命。这一新陈代谢是生命的基本特征，是生物体与外界环境之间物质和能量的交换过程，而正是碳在这一演化过程中起关键作用，也只有碳才能完成这一重大使命。,2019/10/3,88,Carbon cycle,2019/10/3,89,碳在地球上的轮回转世,佛教认为人可以转世，既有我这辈子必然有上辈子，并且认为转世的不是肉体，而是灵魂。 然而，从科学角度看，人体中可转世轮回的只有身体中的碳，它既有今生，还有前世。任何人身体中的碳无不来自亿万年前恒星的热核反应。人和其他动物一样，每天通过食物输入新的含碳有机物，以提供维持生存的能量，同时又通过呼出CO2及排泄出残余含碳废物，进行体内碳原子的不断代谢更新。人在百年之后，整个躯体中含有的碳物质将飞灰烟灭，在细菌及氧的作用下完全分解成CO2，如果这些CO2与日常呼出的CO2被植物吸收就又有可能再次轮回到下一代的人体中。说不定你身体中的某一碳原子几千年前曾在秦始皇身上呆过，也可能上辈子曾在牛马体内停留，各种几率都有，但是因为碳原子的数量实在太多，每一种情况的单一可能性又极低极低。,2019/10/3,90,碳在地球上的轮回转世,地球上贮存碳的最大两个碳库是岩石圈和化石燃料，其总含碳量约占地球上碳总量的99.9。地球上还有另外三个碳库：即大气圈，水圈和生物圈。这三个库中的碳在生物和无机环境中不停地交换。岩石圈中碳主要以碳酸盐形式存在总量为610的16 次方 吨，大气圈以CO2和一氧化碳形成存在，总量为7.210的11次方 吨，水圈中以多种形式存在，生物库则主要以有机物存在，海洋中含碳量是大气中含碳量的50倍，为3.8410的13次方 吨。,2019/10/3,91,地球上存在的碳及其每年间的移动量(亿吨),2019/10/3,92,碳在地球上的轮回转世,释放CO2的库，称为“源”（Source）；吸收为CO2的库，称为汇(Sink)。岩石圈中的碳借助于岩石的风化和溶解，化石燃料的燃烧以及火山