考古里的碳十四测年法是怎么回事

目前“减碳”成了热门话题， 碳好像成了一只人人喊打的过街老鼠。 可是要搞清楚 ，这里所减的碳是指导致气候变化的二氧化碳（CO2），千万不要误解为逢碳必减，因为碳对我们人类很重要，而且适量的二氧化碳也是我们人类必需的，要减的是过量的CO2。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能够形成生命的最核心要素，没有碳，就没有生命。碳与我们日常生活息息相关。在人类的发展 历史 上，碳不仅是食物的来源、能量的来源，更是材料的来源。

原英国石油（BP）公司首席执行官约翰.布朗勋爵写了一本书，叫《七个改变了世界的元素》。这七个元素分别是铁、碳、金、银、铀、钛和硅。在布朗勋爵眼里，碳如钢铁，是帮助人类建成了当今现代 社会 的“七大元素”之一，功不可没。下面就来说说“七大元素”之一的碳。

碳是一种不可思议的元素。以一种方式排列碳原子，它们就会变成柔软柔韧的石墨。换一种方式重新排列，你会得到金刚石，世界上最坚硬的材料之一。

碳也是地球上大多数生命的关键成分制造第一个纹身的颜料石墨烯是技术奇迹的基础，这种材料比钢铁更坚固，比橡胶更柔韧。

碳以碳-12的形式在自然界存在，它几乎构成了宇宙中99%的碳另外碳-13约占1%还有碳-14，它只占碳总量的很小一部分，但在测定有机物体的年代方面非常重要。

1）碳的基本信息

2）碳是如何形成的:从恒星到生命

碳是在恒星内部产生的，尽管它不是在大爆炸中产生的。根据Swinburne天体物理和超级计算中心的资料，它在恒星的内部通过一个被称为三重alpha过程的反应形成。在这个过程中，三个氦核发生聚变。当一颗大质量恒星变成超新星时，碳会散射，并能被合并成下一代恒星和行星。

在燃烧了大部分氢的老星星中，剩余的氦会聚集起来。每个氦原子核有两个质子和两个中子。在超过1亿开尔文(179,999,540.6华氏度)的高温下，氦核开始聚变，首先成对形成不稳定的4质子铍核，最终，当足够多的铍核出现时，变成一个铍和一个氦。最后的结果是: 原子中有6个质子和6个中子。

碳是一个模式制造者。它可以与自己连接，形成长而有弹性的链，称为聚合物。由于它的电子排列，它还可以与多达四个其他原子结合。原子被排列成原子核，原子核被电子云包围，电子在离原子核不同距离的地方轰鸣（zinging）。根据加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)资料，化学家将这些距离视为壳层，并通过每个壳层的内容来定义原子的属性。碳有两个电子层，第一个电子层有两个电子，第二个电子层有八个可能的电子空间中的四个。当原子成键时，它们在最外层共用电子。碳的最外层有四个空的空间，使它能与其他四个原子结合(它还可以通过形成双键和三键稳定地与更少的原子结合)。

碳是一种非金属，它可以与自身和许多其他化学元素结合。据化学解释网站，近1000万种碳化合物已经被发现，科学家估计，碳是95%的已知碳化合物的基石。因为它比其他任何元素都能形成更多的化合物，所以被称为“元素之王”。由于碳具有与许多其他元素结合的惊人能力，这是它对几乎所有生命都至关重要的主要原因。

碳元素的发现已经湮没在 历史 长河中，这种元素在史前人类以木炭的形式被发现。根据世界煤炭协会(world coal Association)的数据，碳作为煤炭仍然是全球主要的燃料来源，提供了世界约37%的电力。煤炭也是钢铁生产的关键成分，而碳的另一种形式石墨是一种常见的工业润滑剂。

碳-14是一种碳的放射性同位素，考古学家使用它来确定物体和遗骸的年代。碳-14自然存在于大气中。根据爱荷华州立大学无损评估中心，植物在呼吸作用中吸收它，在呼吸作用中，它们将光合作用中产生的糖转化为它们用来生长和维持其他过程的能量。动物通过吃植物或其他以植物为食的动物将碳-14吸收到体内。据亚利桑那大学，碳-14有5,730年的半衰期，这意味着在那之后，样本中一半的碳-14会衰变。

因为有机体死后会停止吸收碳-14，所以科学家可以用碳-14的半衰期作为一种时钟来测量有机体死后的时间。这种方法适用于曾经有生命的生物体，包括由木头或其他植物材料制成的物体。

3）我们所知的碳

4）正在进行的碳研究

碳是一种长期研究的元素，但这并不意味着没有更多的元素可以发现。事实上，与我们的史前祖先燃烧木炭元素相同的碳元素可能是下一代 科技 材料的关键。

1985年，德克萨斯州莱斯大学的Rick Smalley和Robert Curl及其同事发现了一种新的碳形式。根据美国化学学会的资料，通过用激光汽化石墨，科学家们创造了一种由纯碳组成的神秘的新分子。这个分子原来是一个由60个碳原子组成的足球形状的球体。研究小组将他们的发现命名为巴克敏斯特富勒烯，以一位设计了测地圆顶的建筑师的名字命名。这种分子现在被更普遍地称为“巴基球”。发现它的研究人员获得了1996年的诺贝尔化学奖。

根据2009年发表在《化学信息与建模杂志》上的一项研究，人们发现巴克球可以抑制艾滋病毒的传播医学研究人员正致力于将药物一个分子接一个分子地附着在巴基球上，以便将药物直接输送到体内的感染或肿瘤部位 这包括哥伦比亚大学、赖斯大学和其他大学的研究。

2021年，中国燕山大学田永军（Yongjun Tian）领导的研究人员发现，通过压缩巴基球，他们可以制造出迄今为止所见过的最坚硬的非晶体材料，几乎和钻石一样坚硬。

其他被称为富勒烯的新型纯碳分子也被发现，包括椭圆形的“巴克耶蛋”（buckyeggs)和具有惊人导电性能的碳纳米管。碳化学的热度仍然足以让人获得诺贝尔奖: 2010年，来自日本和美国的研究人员因研究出如何使用钯原子将碳原子连接在一起而获奖，据诺贝尔基金会(Nobel Foundation)称，这是一种能够制造大型复杂碳分子的方法。

科学家和工程师们正在利用这些碳纳米材料来制造直接来自科幻小说的材料。《纳米快报》2010年的一篇论文报道了一种柔性、导电纺织品的发明，这种纺织品浸入碳纳米管“墨水”中，可用于储存能量，或许为可穿戴电池、太阳能电池和其他电子产品铺平了道路。这种墨水现在可以从化学供应公司买到。

然而，如今碳研究是最热门的研究领域之一，可能涉及到“神奇材料”石墨烯。石墨烯是一层只有一个原子厚的碳。它是已知的最坚固的材料，同时仍具有超轻和柔韧性。而且它的导电性比铜好。科学家们仍在发现石墨烯的新特性。例如，2020年，研究人员在《自然物理学》杂志上报告称，通过正确的方式堆叠石墨烯，他们可以使其具有磁性。

大规模生产石墨烯是一个挑战，尽管研究人员在2014年4月报告称，他们可以只使用厨房搅拌机就能大量生产。2020年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家开发了一个数学模型来指导大规模生产。如果科学家们能够很容易地制造出大量石墨烯，这种材料将在 科技 领域发挥巨大的作用。想象一下，具有柔韧性、不易破碎、而且恰好又薄如纸的小玩意儿。事实上，碳从木炭和钻石发展到现在已经有了很长的一段路。

5）碳纳米管

碳纳米管(CNT)是一种由碳原子构成的微小的吸管状结构。这些管子在各种电子、磁性和机械技术中都非常有用。这些管子的直径非常小，它们的测量单位是纳米，一纳米是一米的十亿分之一，大约比人类头发还细1万倍。

碳纳米管的强度至少是钢的100倍，但重量只有钢的六分之一，所以它们可以增加几乎任何材料的强度，据理解纳米网的报道，在导电性和导热性方面比铜更好。

纳米技术正被应用于将海水转化为饮用水的研究。在一项新的研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们开发了一种碳纳米管工艺，可以比传统技术更有效地从海水中提取盐。

例如，传统的海水淡化工艺在高压下泵入海水，使其通过反渗透膜。然后，这些膜排斥所有大颗粒，包括盐，只允许干净的水通过。然而，据LLNL说，这些海水淡化厂非常昂贵，只能处理一个县水需求的大约10%。

在碳纳米管研究中，科学家们模拟了生物膜的结构方式: 本质上是膜内部有孔的基质。他们使用的纳米管特别小，比人的头发还要细5万倍以上。这些微小的纳米管可以容纳非常高的水通量，但又太窄了，一次只能有一个水分子通过。最重要的是，盐离子太大了，无法穿过管子。

本文主要据Stephanie Pappas “Carbon: Facts about an element that is a key ingredient for life on Earth”和Anne Marie Helmenstine“10 Facts About Carbon (Atomic Number 6 or C)”编译。

元素只有符号，何来化学式之称？煤中的碳元素符号是C，C60是球形碳，形状像个足球,C12叫同位素

指6个质子和6个中子组成的碳原子,则它的质量数为12，还有C14，具有放射性，常用来研究化石年龄，它的质量数是14,煤中的碳基本是C12

碳（©_GeneralFMV，Andrei Marincas | Shutterstock）

碳是一种不可思议的元素。以一种方式排列碳原子，它们就会变成柔软的石墨。重新安排，然后-准备！原子形成钻石，是世界上最坚硬的材料之一。“KdSPE”“KdSPS”碳也是地球上大多数生命的关键成分；产生第一个纹身的颜料；和技术奇迹的基础，如石墨烯，它是一种比钢更坚固，比橡胶更柔韧的材料。[见元素周期表]

碳以碳-12的形式自然存在，碳-12几乎占宇宙中碳的99%；碳-13约占宇宙中碳的1%；碳-14占宇宙中碳总量的很小一部分，但在测定有机物的年代时非常重要。

只是事实上的原子序数（核内质子数）：6个原子符号（在元素周期表上）：C原子量（原子平均质量）：12.0107密度：2.2670克/立方厘米室温相：固体熔点：6422华氏度（3550摄氏度）沸点：6872华氏度（3，800 C）（升华）同位素数量：总共15个；两个稳定同位素，它们是同一元素的原子，具有不同数量的中子。最常见的同位素：碳-12（6个质子，6个中子和6个电子）和碳-13（6个质子，7个中子和6个电子）碳：根据斯文伯恩天体物理中心的数据，从恒星到生命

作为宇宙中第六丰富的元素，碳在恒星腹部形成一种称为三α过程的反应超级计算。

在那些已经燃烧了大部分氢的老恒星中，剩余的氦积聚起来。每个氦核有两个质子和两个中子。在非常热的温度下-大于100000000欧凯文（179999540.6 F）-氦核开始熔合，首先是成对不稳定的4质子铍原子核，最后，当足够的铍原子核闪现时，变成铍加氦。最终的结果是：拥有六个质子和六个中子的原子——碳。

虽然科学家有时会将电子概念化为在一个确定的壳层中围绕原子核旋转，但它们实际上是以不同的距离绕着原子核飞行的；碳原子的这一观点可以在两个电子云图（下图）中看到，显示单个团（所谓的s轨道）和双叶团或云（p轨道）中的电子。（Physical Review B，DOI:10.1103/PhysRevB.80.165404）

Carbon是一个模式制造商。它可以连接到自己，形成长的，有弹性的链称为聚合物。由于它的电子排列，它还可以与多达四个其他原子结合。原子排列成一个被电子云包围的原子核，电子与原子核的距离不同。加州大学戴维斯分校称，化学家把这些距离想象成壳层，并根据每个壳层中的物质来定义原子的性质。碳有两个电子壳层，第一个能容纳两个电子，第二个能容纳八个空间中的四个。当原子结合时，它们在最外层共享电子。碳的外壳有四个空位，使它能与其他四个原子结合。（它也可以通过形成双键和三键稳定地与较少的原子结合。）

换句话说，碳有选择。据网站Chemistry解释说，它利用了碳：已经发现了近1000万种碳化合物，科学家估计碳是95%已知化合物的基石。碳与许多其他元素结合的不可思议的能力是它对几乎所有生命都至关重要的一个主要原因。史前人类知道这种元素是以木炭的形式存在的。根据世界煤炭协会（World coal Association）的数据，碳作为煤炭仍然是全球主要的燃料来源，提供了全球约30%的能源。煤炭也是钢铁生产，而石墨，另一种碳形式，是一种常见的工业润滑剂。

碳-14是一种碳的放射性同位素，考古学家用来测定物体和遗骸的年代。碳-14是天然存在于大气中的。据科罗拉多州立大学称，植物在呼吸过程中吸收糖分，将光合作用中产生的糖分转化回用于生长和维持其他过程的能量。动物通过食用植物或其他以植物为食的动物将碳-14吸收到体内。根据亚利桑那大学的研究，碳-14的半衰期为5730年，这意味着在这段时间之后，样本中的碳-14有一半会衰变，

是因为生物在死亡后不再吸收碳-14，科学家可以用碳-14的半衰期作为一种时钟来测量生物死亡后的时间。这种方法适用于曾经的生物，包括由木头或其他植物材料制成的物体。

谁知道？碳的名字来自拉丁语carbo，意思是“煤”。钻石和石墨分别是已知的最硬和最软的天然材料。两者唯一的区别是它们的晶体结构。根据《地球百科全书》，碳占地球岩石圈（地壳和外地幔）重量的0.032%。德 *** 大学地质学家David Smith对岩石圈重量的粗略估计是30亿日元（或3×10 ^ 23）磅，使得岩石圈中的碳的近似重量为105600亿日元（或1.056×10 ^ 22）磅。根据国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据，二氧化碳（一个碳原子加上两个氧原子）占地球大气的0.04%，这是因为工业燃料的燃烧导致了工业时代的增加。一氧化碳（一个碳原子加上一个氧原子）是由化石燃料燃烧产生的无味气体。一氧化碳通过与血液中携带氧气的血红蛋白结合而死亡。根据《皇家医学会杂志》上的2001篇论文，一氧化碳与血红蛋白的结合强度比氧强210倍，有效地挤出氧气和窒息组织。钻石是碳最闪光的形式，是在地壳深处的巨大压力下形成的。据皇家收藏信托基金会（Royal Collection Trust）称，迄今为止发现的最大的宝石级钻石是1905年发现的库利南钻石。未切割的钻石是3106.75克拉。从这块石头上切下的最大宝石530.2克拉，是英国的皇冠宝石之一，被称为非洲的巨星。根据2009年《考古科学杂志》的一项研究，在阿尔卑斯山发现的一具5300年前的尸体“冰人厄齐”的纹身是用碳墨水绘制的。在皮肤上做了小切口，并用木炭擦了擦，也许是针灸治疗的一部分。”

正在进行的研究

碳是一个长期研究的元素，但这并不意味着没有更多的发现。事实上，我们的史前祖先作为木炭燃烧的元素可能是下一代科技材料的关键。

在1985年，德克萨斯州莱斯大学的Rick Smalley和Robert Curl及其同事发现了一种新形式的碳。据美国化学学会称，科学家们通过激光蒸发石墨，创造了一种由纯碳制成的神秘新分子。这个分子原来是一个足球形状的球体，由60个碳原子组成。研究小组以一位设计测地线穹顶的建筑师的名字命名他们的发现为巴克敏斯特富勒烯。这种分子现在被称为“巴克球”，发现它的研究人员在1996年获得了诺贝尔化学奖。根据2009年发表在《化学信息与建模》杂志上的一项研究，巴克球被发现能抑制艾滋病病毒的传播；医学研究人员正致力于将药物逐分子地附着到巴克球上，以便将药物直接送到身体的感染或肿瘤部位；这包括哥伦比亚大学、赖斯大学和其他机构的研究。

从那时起，人们发现了其他新的纯碳分子，称为富勒烯，包括椭圆形状的“buckyeggs”和具有惊人导电性能的碳纳米管。碳化学仍然是获得诺贝尔奖的热门领域：据诺贝尔基金会称，2010年，日本和美国的研究人员在研究如何利用钯原子将碳原子连接在一起时获得了一项大奖，钯原子是一种制造大型复杂碳分子的方法与这些碳纳米材料合作，直接从科幻小说中构建材料。NealNethsNournal上的一篇2010篇论文报道了一种柔性的导电纺织品的发明，它被用在碳纳米管中，它可以用来储存能量，也许为可穿戴电池、太阳能电池和其他电子产品铺平道路。涉及“神奇材料”石墨烯。石墨烯是一层只有一个原子厚的碳。它是已知的最强的材料，同时仍然是超轻型和柔性的。而且它的导电性比铜好，

大量生产石墨烯是一个挑战，尽管研究人员在2014年4月报告说，除了厨房搅拌机，他们什么也不用做。如果科学家能想出如何容易地制造大量石墨烯，这种材料在技术上会变得巨大。想象一下，柔软、牢不可破的小玩意儿也恰巧是纸薄的。事实上，碳从木炭和钻石中已经走了很长一段路。

碳纳米管

碳纳米管（CNT）是一种由碳原子构成的微小的稻草状结构。这些管子在各种电子、磁学和机械技术中极为有用。这些管子的直径很小，可以用纳米来测量。纳米是一米的十亿分之一，比人的头发小约10000倍。根据纳米科学仪器，

、

碳纳米管的强度至少是钢的100倍，但只有钢的六分之一重，因此它们几乎可以增加任何材料的强度。它们在导电和导热方面也优于铜。

纳米技术正被应用于把海水变成饮用水的探索中。在一项新的研究中，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们开发出了一种碳纳米管工艺，它能比传统工艺更有效地从海水中提取盐。

例如，传统的海水淡化工艺在高压下泵入海水，通过反渗透膜输送。然后，这些膜会排斥所有大颗粒，包括盐，只允许干净的水通过。然而，根据LLNL的说法，这些海水淡化厂非常昂贵，只能处理一个县约10%的水需求。纳米管研究中的

模拟了生物膜的结构：本质上是一个膜内有孔的基质。他们使用的纳米管特别小，比人的头发细5万倍以上。这些微小的纳米管允许非常高的水通量，但非常窄，一次只能有一个水分子通过管子。最重要的是，盐离子太大，无法通过管道。

研究人员认为这一新发现对下一代净水工艺和高通量膜技术都有重要意义。

由Traci Pedersen补充报道，Live Science撰稿人。

在Twitter和Google+上关注Stephanie Pappas。关注我们@livescience，Facebook和Google+。

了解更多关于碳的信息：

杰斐逊实验室：元素碳美国宇航局地球观测站：碳循环史密森学会：所有关于碳和钻石

都说化石能源是不可再生资源，你知道吗？实际上它们是可以再生的。

碳诞生于恒星内部，它随着剧烈的爆炸散布到宇宙空间，然后因为尘埃的聚集慢慢成为地球的一部分。地球上的碳含量几乎是恒定的，几十亿年来只有极少量的增加，这是因为强烈宇宙射线中的中子辐射9000~15000米的高层大气，使一部分氮-14分解为碳-14和氢。碳-14本身不稳定，它会通过β衰变变回到氮-14。地球上碳-14的含量极少，据计算全球碳-14的存量大约仅有50吨，其中大气层有840千克，其它全被固定在陆地材料中。

50吨的碳-14与地球碳总量相比微不足道。 地球上的碳主要是碳-12和碳-13，这是碳的两种稳定同位素，其中碳-12约占碳总量的99%，碳-13约为1% 。科学家们估计有超过6亿亿吨的元素碳以碳酸盐的形式被储存在岩石中，另有约1.5亿亿吨碳存在于一种叫做“油母质”或“干酪根”的固体有机混合物里；在地球中心的铁核中还有大量的碳，它与地核的铁结合成碳化铁Fe₇C₃；地球表面广阔的海洋中溶解和储存了大量碳化合物，其中含有38.4万亿吨碳；相比之下大气中的元素碳含量则要少得多，2000年测量的数值约为7200亿吨。

值得注意的是： 在2018年中期最新测量数据中，大气中二氧化碳的质量浓度达到622ppm 。我们知道地球表面大气总质量约为5.15×10¹⁸千克，这意味着大气中二氧化碳总质量约为32033亿吨，其中 元素碳的质量达到8736亿吨 ，远超过2000年的水平。科学家们认为这主要是由于人类活动每年向大气中排放超过290亿吨CO₂的结果，另外由火山喷发每年向大气贡献了不超过3亿吨二氧化碳。

地球的大气层中最早是没有碳的 ，当它开始形成时，包裹在周围的主要是氢气，还有少量的水蒸汽、甲烷和氨。 随着小行星不断地碰撞，频繁的火山活动将地下大量氮、二氧化碳以及少量惰性气体带到地球表面，形成新的大气层 。这些二氧化碳中的大部分溶解在水里形成早期的碳酸盐岩石，另一部分作为温室气体为早期的地球保温，这也为后来地球生命的产生创造了条件。早期的太阳光度只有今天的70%，更多的温室气体有利于保持地球表面的温度，在大约34亿年前，地球就已经存在早期生命的迹象，这与地下碳的大量排放时间基本吻合。

大量的地质证据表明，在大约24亿年前太古代晚期的数亿年时间里，地球大气和浅海区域大量氧气开始聚集，被称为“大氧化事件”，这是因为 大量蓝藻通过光合作用吸收空气中的二氧化碳，将碳固定在它们体内并向空气中释放氧气 。这些远古藻类和浮游动物死亡后沉入水底，经过数亿年的堆积和几十亿年的地质变化，这些成分复杂的有机化合物的混合物慢慢变成今天被称为“干酪根（Kerogen）”的固体物质。

干酪根是原始藻类、浮游生物和原始陆地植物固定地球大气层中碳的证据，它固定了超过10¹⁶吨（约1.5亿亿吨）元素碳，这些有机物质聚集在地下深处原始的沉积岩中，当其中一部分在地壳中被加热到合适的温度时（ 油窗 ：50-150 °C， 气窗 ：150-200°C，两者都取决于烃源岩加热的速度），某些类型的干酪根会释放原油或天然气，形成油田或气田。

由此我们知道， 石油和天然气本身就是地球碳循环的其中一个产物 。

在地球 历史 的每一个地质时期，都有藻类和浮游生物沉积演化所形成的石油，从这个角度看，地球的石油储藏应当是源源不绝的。今天的渔民们不喜欢大量繁殖的水藻和浮游生物，它们会大量消耗浅层海水中的氧，导致鱼类死亡绝收，但十数亿年之后，这些海藻有可能就是后人的石油。

我此前在《煤炭与钻石，哪个更有价值？》一文中介绍了煤炭的来源，陆地上繁茂的植物在死亡之后慢慢堆积，将它们从空气中吸收的碳固定在地面，随着漫长岁月的地质演化，这些死亡植物在被微生物降解前变成泥碳，进而演化为III型干酪根，也就是我们通常所说的煤炭。

地球表面的碳循环与大量微生物、动植物的生长繁衍密不可分 。植物和藻类通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为体内的有机碳，当它们死亡时，这些有机碳的大部分被保存在地面、深埋进泥土、进入地壳，然后变为泥炭和煤；动物和浮游生物通过吃植物和藻类完成碳的转移，它们会呼出二氧化碳，同时也会将一部分碳转化为碳酸盐固定下来，当大量浮游生物的尸体沉积到海底深处，加上某些种类细菌协助分解，它们有机会转化为干酪根或石油。大约有2万亿吨的碳被储存在生物圈、化石燃料中元素碳的存量达到4.13万亿吨，这比空气中的碳要多得多。

植物不只通过光合作用捕获空气中的二氧化碳，它还会通过呼吸作用释放二氧化碳，只不过它们吸收的碳更多；动物会吸入氧气呼出二氧化碳，这些碳大多来自它们所吃的植物。这使得大气中的碳基本保持平衡状态。

由于人类生产活动燃烧大量化石能量，将亿万年来积聚在地下的碳快速释放到大气中；同时又通过砍伐森林获取木材、发展农业减少了植物转化碳的能力，因此在工业革命后大气中碳的存量呈现快速上升的趋势，这将导致全球气候变暖。

照目前的势头，大气中二氧化碳的浓度会不会无限制地上升呢？不一定。土壤通过呼吸作用每年向大气中释放超过1000亿吨元素碳，比人类碳排放要多出十倍以上，但大气中二氧化碳的增量并没有那么多，这在本文的开始部分我们就已经做了计算。这是因为大气中有一多半的二氧化碳被海洋和陆地吸收了，二氧化碳或溶解在水里中和了海水的碱性（海洋的PH值约为8.2），或在阳光的照射下以碳酸盐的形式被封存在了土壤里。随着太阳光照度的增强，被土壤吸收的碳会越来越多，据计算，大气中的二氧化碳浓度有可能在6亿年后达到一个 历史 低点，这对于植物来说并不是件好事情。

我们通过分析地球碳循环的过程，可以发现石油和煤炭是能够再生的，为什么几乎所有的宣传资料甚至包括我们的教科书中都将化石能源列为不可再生资源呢？

因为 化石能源的再生过程是以亿年为时间单位计算的，对于人类来说这个过程太漫长了 。我们人类从智进化至今仅仅20万年，人类利用化石能源的 历史 仅数千年，大规模开采煤炭石油也只有数百年时间。相对于石油和煤炭的产生，人类消耗它们的速度简直快如闪电，即使今天海洋中的浮游生物、森林中的树木有可能再变成石油与煤炭，到那时候人类是否还能存在都将是未知数。从人类发展的角度看，化石能源是不可再生的。

我们的脚下埋藏着超过4万亿吨的煤炭、有数千亿吨碳储存在石油里，更有1.5亿亿吨的碳被封存于干酪根，它们会在合适的地下转化为新的油气田，看起来石油与煤炭是取之不尽的。问题是当这些碳被开采出来燃烧后，它们会被排放到大气中，二氧化碳浓度的升高有可能导致全球变暖，并由此引发严重的气候问题，我们必须要加以重视并努力避免。

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内绝大多数分子都含有碳元素。

同位素

现代已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达5730年，其他的为稳定同位素。 在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。碳14由于具有较长的半衰期，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。

同素异形体

金刚石碳以无烟煤（一种煤炭类型），石墨和钻石的形式天然的存在，历史上更容易得到的是煤灰或木炭。最终这些不同的材料被认为是由相同的元素形成的。不惊奇的是，钻石是最难确认的。来自佛罗伦萨（意大利）的博物学者Giuseppe Averani和医学工作者Cipriano Targioni首先发现了钻石是可以被加热摧毁的。在1694年他们使用一个大型放大镜聚集阳光到钻石上，宝石最终消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重复了这个实验。之后，在1796年，英国化学家Smithson Tennant展示其燃烧后生成的仅仅是CO2而最终证明了钻石只是碳的一种形式。（结构如图a）

金刚石是最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，成空间网状结构，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。金刚石的熔沸点高，熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。在金刚石分子中，每一个碳原子都被另外四个碳原子包围着，这些碳原子以很强的结合力连接在一起，形成了一个巨大的分子，因此金刚石很坚硬。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品，钻头材料等。

石墨石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨属于混合型晶体，既有原子晶体的性质又有分子晶体的性质。质软，有滑腻感，具有优良的导电性能。熔沸点高。石墨分子中每一个碳原子只与其他三个碳原子以较强的力结合，形成了一种层状的结构，而层与层之间的结合力较小，因此石墨可以作为润滑剂。用途是制作铅笔，电极，电车缆线等。（结构如图b）

足球烯1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。一个C60分子中有60个C原子，构成32个面，20个正六边形，12个正五边形。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。（结构如图d,e,f）属于分子晶体，熔沸点低，硬度小，绝缘。

蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）（结构如图c）

蜡石（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）

主要是碳 C

别称:煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。

一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成。俗称煤炭。中国是世界上最早利用煤的国家。辽宁省新乐古文化遗址中，就发现有煤制工艺品 ，河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。《山海经》中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭 。明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。希腊和古罗马也是用煤较早的国家，希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有 《石史》 ，其中记载有煤的性质和产地；古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。

煤炭是一种可以用作燃料或工业原料的矿物。它是古代植物经过生物化学作用和地质作用而改变其物理、化学性质，由碳、氢、氧、氮等元素组成的黑色固体矿物。

煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭热量高，标准煤的发热量为 7000大卡／千克。而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。

煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。

此外，煤炭中还往往含有许多放射性和稀有元素如铀、锗、镓等，这些放射性和稀有元素是半导体和原子能工业的重要原料。

煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。

【煤的生成】

在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐泥被埋藏后 ， 由于盆地基底下降而沉至地下深部，经成岩作用而转变成褐煤；当温度和压力逐渐增高，再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。

【用途】

煤是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。①燃烧。煤炭是人类的重要能源资源，任何煤都可作为工业和民用燃料。②炼焦。把煤置于干馏炉中，隔绝空气加热，煤中有机质随温度升高逐渐被分解，其中挥发性物质以气态或蒸气状态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，而非挥发性固体剩留物即为焦炭。焦炉煤气是一种燃料，也是重要的化工原料。煤焦油可用于生产化肥、农药、合成纤维、合成橡胶、油漆、染料、医药、炸药等。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造，也可用来制造氮肥、电石。电石是塑料、合成纤维、合成橡胶等合成化工产品。③气化。气化是指转变为可作为工业或民用燃料以及化工合成原料的煤气。④低温干馏。把煤或油页岩置于 550℃左右的温度下低温干馏可制取低温焦油和低温焦炉煤气，低温焦油可用于制取高级液体燃料和作为化工原料。⑤加氢液化。将煤、催化剂和重油混合在一起，在高温高压下使煤中有机质破坏，与氢作用转化为低分子液态和气态产物，进一步加工可得汽油、柴油等液体燃料。加氢液化的原料煤以褐煤、长焰煤、气煤为主。

综合、合理、有效开发利用煤炭资源，并着重把煤转变为洁净燃料，是人们努力的方向。

【产地】

在各大陆、大洋岛屿都有煤分布，但煤在全球的分布很不均衡，各个国家煤的储量也很不相同。中国、美国、俄罗斯、德国是煤炭储量丰富的国家，也是世界上主要产煤国，其中中国是世界上煤产量最高的国家。中国的煤炭资源在世界居于前列，仅次于美国和俄罗斯。

【煤的开采】

煤的开采是一项最艰苦的工作,当前正在花较大的力量来改善工作条件.由于煤炭资源的埋藏深度不同,开采方式一般相应地也有矿井开采(埋藏较深)和露天开采(埋藏较浅)之分.其中,可露天开采的资源量在总资源中的比重大小,是衡量开采条件优劣的重要指标,中国可露天开采的储量仅占7.5%,美国为32%,澳大利亚为35%矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比,中国煤矿中含瓦斯比例高,高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上.中国采煤以矿井开采为主,如山西\山东\徐州及东北地区大数采用这一开采方式,也有露天开采,如朔州平朔煤矿——全国最大的露天煤矿.

煤可以创造沥青、煤气、煤焦油和焦炭

煤当原料使用煤在1200℃的密闭炉(称为炼焦炉)中干馏,可得固定碳很高含量之煤焦,俗称焦炭

【煤的分类】

煤有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤等几种。云南常用的是褐煤、烟煤、无烟煤三种。煤的种类不同，其成分组成与质量不同，发热量也不相同（表4-15）。单位重量燃料燃烧时放出的热量称为发热量，人为规定以每公斤发热量7000千卡的煤作为标准煤，并以此标准折算耗煤量。

（1）褐煤：多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松；含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低（因产地煤级不同，发热量差异很大），燃烧时间短，需经常加煤。

（2）烟煤：一般为粒状、小块状，也有粉状的，多呈黑色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长，有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣。

（3）无烟煤：有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少，质地紧密，固定碳含量高，可达80%以上；挥发分含量低，在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短，冒烟少，燃烧时间长，粘结性弱，燃烧时不易结渣。应掺入适量煤土烧用，以减轻火力强度。

1989年10月 ，国家标准局发布《 中国煤炭分类国家标准 》(GB5751-86)，依据干燥无灰基挥发分Vdaf、粘结指数G、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度 b、煤样透光性 P、煤的恒湿无灰基高位发热量Qgr，maf等6项分类指标，将煤分为14类。即褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1／2中粘煤、气煤、气肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。

【化学组成】

煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95％以上；煤中的无机质也含有少量的碳、氢、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的组分，其含量随煤化程度的加深而增高。泥炭中碳含量为50％～60％，褐煤为60％～70％，烟煤为74％～92％，无烟煤为 90％～98％。煤中硫是最有害的化学成分。煤燃烧时，其中硫生成SO2，腐蚀金属设备，污染环境。煤中硫的含量可分为 5 级：高硫煤，大于4％；富硫煤，为2.5％～4％；中硫煤，为1.5％～2.5％；低硫煤，为1.0％～1.5％；特低硫煤 ，小于或等于1％。煤中硫又可分为有机硫和无机硫两大类。

【工业分析】

通过工业分析可大致了解煤的性质。又称技术分析。是指煤的水分、挥发分、灰分的测定以及固定碳的计算。水分可分为外在水分、内在水分以及与煤中矿物质结合的结晶水、化合水。外在水分为煤炭在开采、运输、储存及洗选过程中，附着在煤颗粒表面和大毛细孔中的水分。内在水分为吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔中的水分，温度超过100℃时可将煤中内在水分完全蒸发出来 。灰分是指煤完全燃烧后残留的残渣量。灰分来自煤的矿物质。挥发分是指煤中有机质可挥发的热分解产物。挥发分随煤化程度增高而降低，可用于初步估测煤种。固定碳是指煤中有机质经隔绝空气加热分解的残余物。固定碳随变质程度的加深而增高，可作为鉴定煤变质程度的指标。

【工艺性质】

煤的工艺性质是工业评价合 理 用 煤的依据，主要包括粘结性、结焦性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产率和可选性等。粘结性是指煤在高温干馏中产生胶质体，使煤粒相互粘结成块的性能。粘结性是评价炼焦用煤的主要指标。结焦性是指在炼焦炉中能炼出适合高炉用的有足够强度的冶金焦炭的性质。发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时所产生的热量。煤的发热量是煤质的重要指标，是计算热平衡、耗煤量、热效率等的依据。

【煤中伴生元素】

指以有机或无机形态富集于煤层及其围岩中的元素。有些元素在煤中富集程度很高，可以形成工业性矿床，如富锗煤、富铀煤、富钒石煤等，其价值远高于煤本身。

根据煤中伴生元素的性质和用途，可分为有益元素、有害元素和指相元素3类。有益元素主要 有锗、镓、铀、钒等，可被利用。有害元素 主要有硫 、磷、氟、氯、砷、铍、铅、硼、镉、汞、硒、铬等。硫是煤中常见的有害成分，其他有害元素在煤中含量一般不高，但危害极大，如砷是一种有毒元素。煤在燃烧中，硫是造成城镇环境污染的主要物质源。当然，对有害元素如果收集、处理得当也可变成对人有用的财富。煤中伴生元素，有各自的地球化学性质，形成于不同的沉积环境中。因此，可根据元素的相对含量、元素的共生组合关系及元素的比值，来判断相和沉积环境。

回收应该是回收率，

特征表示煤的粘结性和煤化程度，

计数表示固定碳含量。

简单地，

一）从成分上说：

1.碳：主要可燃成分，占50-95%，含碳越高，燃点越高，越容易着火。

2.氢：占2-4%，H的发热量很高。会占煤的一部分发热量，越大越好。

3.氧：起到助燃的作用。

4.硫：是煤中的有害成分，要避免。

5.氮：燃烧时，随着烟气一同排出，损失热量。

6.灰分：含的越少越好，是垃圾。

7.水分：对煤的燃烧有影响。含适量的水分，可以放出H,但含水太多了，着火难，烟气含水大。

8.磷：是占很少的，有的煤种基本不含，磷也可以燃烧放出热量。

二）要从工业分析：

1.挥发分：占15-20%，越高越好，越高发热量越高。

2.固定碳：燃烧C和CO都可提供热量。

3.灰分及溶渣：占2-5%，灰分高的煤，易熔渣和结焦。

4.水分：像上面说的。

新制定的中国煤炭分类国家标准，首先根据煤的煤化程度，将所有煤分为褐煤、烟煤和无烟煤。对于褐煤和无烟煤，再分别按其煤化程度和工业利用的特点分为2个和3个小类。烟煤部分按挥发分大于10～20％、大于20～28％、大于28～37％和大于37％的4个阶段分为低、中、中高及高挥发分烟煤。关于烟煤粘结性，则按粘结指数G区分：0～5为不粘结和微粘结煤。大于50～65为中等偏强粘结煤，大于65则为强粘结煤。对于强粘结煤，又把其中胶质层最大厚度y值大于25mm或奥亚膨胀度b大于150％（对于Vdaf大于28％的烟煤，b大于220％）的煤定为特强粘结煤。这样，在烟煤部分，可分为24个单元，并用相应的数码表示。编号的十位数中，1～4代表煤的煤化程度，编号的个位数中，1～6表示煤的粘结性。在这24个单元中，再按同类煤性质基本相似，不同煤性质有较大差异的分类原则将部分单元合并为12个类别。再煤类的命名上，考虑到新旧分类的延续性和习惯叫法，仍保留气煤、肥美、焦煤、瘦煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤8个煤类。

根据含碳量、性能分

50-70%褐煤、70-85%烟煤、85-95%无烟煤

所以褐煤1吨排放二氧化碳=[1000*（50%-70%）/12]*44=1833-2566(kg)

同理，烟煤1吨排放二氧化碳2566-3117（kg)

无烟煤1吨排放二氧化碳3117-3483（kg)

薪柴含碳40-50%，1吨薪柴排放二氧化碳1467-1833（kg)