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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7/24/20241Chap. 1 炭材料基础7/24/20242Outline 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7/24/20243Question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？7/24/202447/24/20245Diamond & Graphite7/24/20246碳是个什么东西？碳为什么有碳原子、碳分子，又有碳元素，它们之碳为什么有碳原子、碳分子

2、，又有碳元素，它们之间有什么不同？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为什么有碳原子中有碳12又有碳又有碳14，两者有何区别，两者有何区别？碳到底是个什么东西？碳到底是个什么东西？7/24/20247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拓宽知识，对物质世界的认识已经可以跨越42个数量级。个数量级。宏观上，目前观测所及的宇宙空间范围已可达到宏观上，目前观测所及的宇宙空间范围已可达到1026-1

3、027（1后面后面26-27个零）米个零）米微观上，已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小微观上，已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小仅为仅为10-16（小数点后面（小数点后面16个零）米。人们现在已经知道整个零）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，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在的仅九十（？）九十（？）多种，加上人造的总共也只有多种，加上人造的总共也只有？种，碳种，碳就是这些元素当中的一个，但又是极为特殊的一个。就是这些元

4、素当中的一个，但又是极为特殊的一个。7/24/202487/24/20249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负电荷的电子所组成。电子是质量很小的微粒, ,在原子核外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、中经获得的知识。由于不同原子中有着不同数量的质子、中子

5、和电子子和电子, ,因此它们的性质便有了很大的变化。元素则是具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。简称。7/24/202410碳元素7/24/202411碳元素的原子结构7/24/202412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，同的英文字母来表示不同的

6、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号(或元素符号或元素符号)。例如用。例如用“H”表示氢，用表示氢，用“O”表示氧，用表示氧，用“Fe”表示铁等等，碳的化学符号为表示铁等等，碳的化学符号为“C”。原子是化学变化中。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（核电荷们进一步发现各种元素的性质

7、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。排列归类形成一个化学元素周期表。7/24/202413碳元素在周期表中的位置7/24/202414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？7/24/202415碳的特性已发现碳原子的同位素有已发现碳原子的同位素有13种，

8、即从种，即从8C（左上（左上8表示原子质表示原子质量数，左下量数，左下6表示质子数）至表示质子数）至20C，其中，其中12C（碳（碳12）和）和13C为为稳定同位素，各自的平均相对丰度分别为稳定同位素，各自的平均相对丰度分别为98.9%和和1.108%。其余同位素均为放射线同位素，其中除其余同位素均为放射线同位素，其中除14C（碳（碳14）的半衰）的半衰期为期为5730年，人们可感到其存在外，其余的同位素由于半年，人们可感到其存在外，其余的同位素由于半衰期很短，如衰期很短，如16C仅为仅为0.74秒，秒，17C仅有仅有20毫秒毫秒,即即0.02秒秒,所以所以无太大意义。无太大意义。7/24/2

9、02416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（carbondating）。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。7/24/202417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。原子的绝对重量荷数不同各种原子的质量也

10、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极小，难以直接称量，故最早用原子中最轻的氢原子氢原子重量重量为为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氧原子的平均原子量等于的平均原子量等于16.0000作为基准。考虑到作为基准。考虑到碳元素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，所以国际上从力，所以国际上从1961年起为了避免混乱，统一将年起为了避免混乱，统一将12C（碳（碳12，其原子质量数，即质子数与中子数之和为，其原子质量数，即质子数与

11、中子数之和为12的碳原子）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定为12.0000，所有其它的原子和分子均参照它来确定各自，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。的质量，从而使物理化学数据更为精确。7/24/202418碳的同素异形体什么叫同素异形体？什么叫同素异形体？碳有多少同素异形体？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？为什么碳能够形成如此多的同素异形体？7/24/202419碳的同素异形体碳原子有极强的化学成键能力，周期表的碳原子有极强的化学成键能力，周期表

12、的所有元素中只有碳是能够形成更多价键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原子，也只有碳才是能形成结构数更多的元素。元素。由同种元素组成的纯净物叫做单质，同一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种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性素异性(或同素异形或同素异形)体。体。 7/24/202420碳的同素异形体7/24/202421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，早年人们认为碳的同素异形（性）体只有石墨和金刚石，然而近然而近30年来，人造金刚石、零维富勒烯、一维纳米碳管年来，人造金刚石、零维

13、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，碳元素多次成为成为“明星分子明星分子”。碳还能继续带来新的惊喜吗。碳还能继续带来新的惊喜吗?碳元素完全有可能再次成为碳元素完全有可能再次成为“明星分子明星分子”，也将给我们带来，也将给我们带来更多的惊喜，其原因就在于碳有更多的惊喜，其原因就在于碳有无穷无尽的同素异形体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，而其中大多数我们现在都还没得到，其性能更是不很清

14、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。次带来新的惊喜。7/24/202422碳的同素异形体7/24/202423碳的同素异形体碳的原子序数为六，共有碳的原子序数为六，共有6个电子。碳原子在基态时个电子。碳原子在基态时,其电其电子在能量从低到高的电子层内配置为：第一层的子在能量从低到高的电子层内配置为：第一层的1s2有两个有两个核心电子；第二层的核心电子；第二层的2s2和和2p2有有4个更弱的能成键的电子，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被称为价电子，它们在形成碳单体和化合物

15、的价键中起重要作用。绝大多数情况下，碳原子要作用。绝大多数情况下，碳原子2s电子亚层中的一个电子电子亚层中的一个电子可受激发跳到可受激发跳到2p电子亚层的一个空轨道中。这样就形成电子亚层的一个空轨道中。这样就形成2s和和2px、2py和和2pz四个能成键的价电子。四个能成键的价电子。 7/24/202424然而，这然而，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杂杂化时，碳原子化时，碳原子2s的一个轨道只和的一个轨道只和2p的一个轨道，例如的一个轨道，例如2px进行杂化形成进行杂化形成sp杂化轨道，它们在键合时形成两个杂化轨道，它们

16、在键合时形成两个键，而剩下的键，而剩下的2py和和2pz，则会形，则会形成成2个个键。碳原子以键。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。在行靠拢，即成为肩并肩的叠合。在sp2杂化时，碳原子杂化时，碳原子2s的一个轨道和的一个轨道和2p的两个轨道，例如的两个轨道，例如2px和和2py进行杂化形成进行杂化形成sp2杂化轨道，形成杂化轨道，形成3个个键，键，而剩下的而剩下的2pz，则会形成一个，则会形

17、成一个键；而在键；而在sp3杂化时，碳原子杂化时，碳原子2s的一个轨的一个轨道和道和2p的全部的全部3个轨道杂化，形成个轨道杂化，形成4个个键。键。轨道的轨道的电子在碳材料中起电子在碳材料中起着独特的作用，着独特的作用，电子可说是形成物质的骨架基础，而电子可说是形成物质的骨架基础，而电子则是发挥物电子则是发挥物质功能的根源。质功能的根源。轨道杂化7/24/202425FormsofbondinginCarbonsp2sp3Veryflexiblebonding:richnessofstructuresGraphiteDiamond7/24/202426轨道杂化化合物键解离能/KJ/mol键间距

18、/nmHCCH 3630.153HCH 6720.134HCCH8160.1217/24/202427碳键7/24/202428碳的同素异形体碳原子的碳原子的6个电子中能成键的个电子中能成键的4个电子，随其占有轨道的不个电子，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，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。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。合物，它们都是这些

19、杂化碳原子的产物。7/24/202429碳的特性价键轨道的杂化价键轨道的杂化。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。第族的硅硅(原子序数为14)和锗锗(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。 7/24/202430碳的特性比碳原子结合半径更小的氮氮和氧氧(C为0.0772nm，N为

20、0.070nm，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

21、和网状等各类结构。7/24/202431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，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。不左不右的特殊位置所致。7/24/202432碳的同素异形体Sp3Sp1Sp2聚炔金刚石超金刚石卡宾石墨金刚石多环网石墨烯玻璃碳类金刚石富勒烯无定形炭缩合崩溃纳米碳管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假设D-G7/24/202433碳的同素异形体7/24/202434碳的特性电子的独特作用。电子的独特作用。当碳原子进行spn(n1的富碳星

22、每年可产生固态的富碳星每年可产生固态C的速率约为的速率约为0.002M （M 为太阳的质量）。为太阳的质量）。7/24/202470碳从哪里来？在温度为在温度为5107K的最早恒星中，会以更高速率产生的最早恒星中，会以更高速率产生必要量的必要量的碳来催化氢的燃烧碳来催化氢的燃烧。太阳中心温度为。太阳中心温度为1500万万度，而质量度，而质量1.5M 的恒星，其核心温度可达的恒星，其核心温度可达3000万万K以上，此时主要是：以上，此时主要是：“碳氮氧循环碳氮氧循环”（也称（也称“碳循环碳循环”）反应。在此反应中，碳作为中间物起催化作用，所以反应。在此反应中，碳作为中间物起催化作用，所以碳在恒星

23、发光发热过程中也起着重要作用。碳在恒星发光发热过程中也起着重要作用。1938年贝年贝特（特（Bethe）提出这一碳氮氧循环理论）提出这一碳氮氧循环理论,并因此获得并因此获得1967年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。7/24/202471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不例外。可以说，我们人体中的每一个碳

24、原子也都是宇宙大爆炸后，在恒星热核反应中宇宙大爆炸后，在恒星热核反应中燃烧燃烧“灰烬灰烬”的产物。的产物。碳是宇宙前期种形成的关键元素碳是宇宙前期种形成的关键元素,也是地球上最活跃的也是地球上最活跃的元素元素,其存在形式复杂而且在不断地演化其存在形式复杂而且在不断地演化:从单一键态，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，演化到无机碳到无机碳,从无机碳演化到有机碳；碳的单质形态，也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从链型向层型、管型、球型和配位型不断转化。7/24/202472宇宙中的碳 光

25、辉夺目，晶莹剔透的光辉夺目，晶莹剔透的钻石虽然也是碳元素的一钻石虽然也是碳元素的一种形式，但却是年轻女士种形式，但却是年轻女士在情人节时最期盼的礼物。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？7/24/202473宇宙中的碳 地球上已发现的最重钻石是地球上已发现的最重钻石是1905年产于南非，重年产于南非，重3106克拉的克拉的“库里南库里南”钻石原石。按每克拉为钻石原石。按每克拉为0.2克计算，其克计算，其重量相当于重量相当于621.2克，尚不足一公斤。克，尚不足一公斤。距离我们地球距离我们地球50光年的人马座中，有一颗编号为光年的人马座中，有一颗编号为“BPM37093”

26、星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗钻石。它的直径为钻石。它的直径为4000公里，重量达公里，重量达10的的34次方次方克拉，克拉，即即210的的27次方次方吨吨，天文学家根据披头式乐队的歌曲，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天空中那是载着钻石的露西”，而将它命名为，而将它命名为“露西露西”。 7/24/202474宇宙中的碳 钻石星球钻石星球7/24/202475宇宙中的碳 事实上，它是恒星中核反应完全结束、转化成事实上，它是恒星中核反应完全结束、转化成白矮星之后形成的白矮星之后形成的碳内核碳内核，随温度的降低，随温度的降低，其中的碳元素

27、就会逐渐形成密度极高的结晶，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。从而成为银河系中最大的钻石。50亿年之后，亿年之后，太阳也将蜕变成一颗白矮星，然后再经过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。亿年，就也将变成一颗闪闪发光的大钻石。7/24/202476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。人类已经观察到成的碳行星。人类已经观察到100多颗太阳系以外的多颗太阳系以外的行星。在这些行星中，也有一些是由含有行星。在这些行星中，也有一些是由含有丰富碳元素丰

28、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。碳化硅（金刚砂）等。还有一些行星的表壳最上端可能是还有一些行星的表壳最上端可能是石墨石墨，而内部是由，而内部是由于高压作用转化成的于高压作用转化成的天然钻石天然钻石，其表面还可能有，其表面还可能有碳氢碳氢化合物化合物，也可能形成，也可能形成甲烷甲烷之类液体碳氢化合物的湖区之类液体碳氢化合物的湖区或海区。或海区。7/24/202477宇宙中的碳 宇宙中的巴基球宇宙中的巴基球7/24/202478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有些科学家甚至认为这些太阳

29、系外的碳元素行星可能存在着生命，甚至智能生命。例如，在年龄仅存在着生命，甚至智能生命。例如，在年龄仅2000多多万年、离地球约万年、离地球约60光年、被称之为光年、被称之为“贝塔贝塔-皮克托里斯皮克托里斯”的恒星周围，就发现了直径达的恒星周围，就发现了直径达3000亿公里的气体尘亿公里的气体尘埃云，其中有大量气态的埃云，其中有大量气态的碳碳，它们正在形成甲烷和石，它们正在形成甲烷和石墨储量极其丰富的行星。墨储量极其丰富的行星。2008年美国宇航局发布年美国宇航局发布“卡卡西尼西尼”飞船探测结果称，土星最大的一颗卫星飞船探测结果称，土星最大的一颗卫星土土卫六的表面湖海中卫六的表面湖海中天然气和其

30、它液态碳氢化合物数量天然气和其它液态碳氢化合物数量惊人惊人，是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。，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，而是以液态碳氢化合物不是以水，而是以甲烷和乙烷甲烷和乙烷的形式的形式存在于土卫六的表面。存在于土卫六的表面。7/24/202479宇宙中的碳 对坠落地球的陨星研究表明，其中对坠落地球的陨星研究表明，其中碳元素的碳元素的3%以纳以纳米级钻石形态存在。据推算，宇宙尘云中一克尘埃和米级钻石形态存在。据推算，宇宙尘云中一克尘埃和气体中可能含气体中可能含一万万亿颗纳米级钻石一万万亿颗纳米级钻石。美国宇航局的。美国宇航局的“斯皮策斯皮策”（s

31、pitzer）红外线太空望远镜正在进行这方）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镜在一棵距地球65光年、如木星般大小、被命为光年、如木星般大小、被命为“HD189733”的系列行星上还发现的系列行星上还发现二氧化碳气体二氧化碳气体。 7/24/202480宇宙中的碳位置原子和分子固态包围在红色巨星和渐进线巨型分支星的富碳星云CO、C2H2、复杂的烃类、气相多环芳烃带有未明确的-*转变的非石墨化碳、碳化硅弥散

32、的星际环境（ISM）简单双原子分子、气相多环芳烃和碳链带有强-*转变的石墨、带有脂肪烃的含碳固体稠密的星际空间(ISM)CO、复杂烃类含碳的冰（CO、CO2、CH3OH）、凝结的含碳粒子初生陨石中的星际物质(IS)气相多环芳烃碳化物、石墨粒子、石墨化程度较差的碳、洋葱碳、纳米金刚石7/24/202481宇宙中的碳 自自1937年发现第一个星际分子以来，已鉴定出的星际分子已超年发现第一个星际分子以来，已鉴定出的星际分子已超过过130多种，而其中的多种，而其中的75是含碳分子是含碳分子。碳是扩散星际云中自由。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，因此电子的主要来源，可以使星际气体

33、加热，因此碳在星际介质物碳在星际介质物理进化中起重要作用。理进化中起重要作用。 整个宇宙的质量中，整个宇宙的质量中，95为看不见的黑暗物质为看不见的黑暗物质、黑暗能量和、黑暗能量和中微子。中微子。星球、彗星、宇宙间气体和灰尘仅占整个宇宙质量星球、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其中的所有物质均由近100种元素及其种元素及其300多种同位素组成。多种同位素组成。宇宙内的所有元素中，宇宙内的所有元素中，碳元素含量所占比例仅为碳元素含量所占比例仅为0.3%，但其丰，但其丰度列第度列第6位。在太阳系的元素和同位素中，按原子比率的顺序碳位。在太阳系的元素和同位素中，按原子比

34、率的顺序碳和氧差不多列第和氧差不多列第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，的主要构成元素，随着不断的演化发展，以碳为骨架，终于在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。地球上形成了各种动植物繁衍的大千世界。7/24/2024827/24/202483碳在地球上的轮回转世 地球起源于地球起源于46亿年前原始星云，随着地球的演化，碳在地亿年前原始星云，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，从地表到往下多，从地表到往

35、下16公里的地层，包括大气层和水圈在内，公里的地层，包括大气层和水圈在内，碳的质量分数仅为碳的质量分数仅为0.08%，其丰富程度仅列第，其丰富程度仅列第14位，远低位，远低于氧、硅、铝、铁等元素。但是，碳却是存在形式最复杂于氧、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，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

36、料外了大部分演化为碳酸盐和化石燃料外,也有极少量在各种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。然富勒烯和纳米碳管。7/24/202484碳在地球上的轮回转世7/24/202485碳在地球上的轮回转世在各种特殊条件下，在各种特殊条件下，碳在宇宙和地球上演化为碳在宇宙和地球上演化为众多的有机分子众多的有机分子(如碳水化合物、氨基酸、蛋白如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸等质、核酸等)，进而发展成能自我重构的大分子，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。这些原始基因即有遗传信息的原始基

37、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成了当今包括人类在内、各种动植物繁衍的大千世界。千世界。7/24/202486碳在地球上的轮回转世地球上所有的地球上所有的“能能”均来自太阳。物质可以循环，但均来自太阳。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

38、能量的体内的叶绿素吸收太阳能使低能量的二氧化碳二氧化碳（CO2）和水转化为高化学能的糖类贮存于体内，而）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用缓慢地燃烧糖类释放出CO2，同时产生能量供生物，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，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，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

39、化过程中起关键作用，也只有碳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。才能完成这一重大使命。7/24/202487Carbon cycle7/24/202488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。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，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

40、其他动物一样，每天通过食物输入新的恒星的热核反应。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，同时又通过呼出含碳有机物，以提供维持生存的能量，同时又通过呼出CO2及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的作用下完全分解成CO2，如果这些，如果这些CO2与日常呼出的与日常呼出的CO2被植被植物吸收就又有可能再次轮回到下一代的人体中。说不定你身体物吸收就又有可能再次轮回到下一

41、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。在太多，每一种情况的单一可能性又极低极低。7/24/202489碳在地球上的轮回转世地球上贮存碳的最大两个地球上贮存碳的最大两个碳库是岩石圈和化石燃料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其总含碳量约占地球上碳总量的99.9。地球上还地球上还有另外有另外三个碳库：即大气圈，水圈和生物圈三个碳库：即大气圈

42、，水圈和生物圈。这三。这三个库中的碳在生物和无机环境中不停地交换。岩石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圈中碳主要以碳酸盐形式存在总量为610的的16次次方方吨，大气圈以吨，大气圈以CO2和一氧化碳形成存在，总量为和一氧化碳形成存在，总量为7.210的的11次方次方吨，水圈中以多种形式存在，生物吨，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库则主要以有机物存在，海洋中含碳量是大气中含碳量的碳量的50倍，为倍，为3.8410的的13次方次方吨。吨。7/24/202490地球上存在的碳及其每年间的移动量(亿吨) 碳碳被被同同化化

43、等等10001000氧氧化化分分解解等等10001000人人类类活活动动7070不不明明20203030放放出出10001000吸吸收收10001000海洋海洋6106105 5石灰石石灰石4104108 8岩石土壤等岩石土壤等7107107 7 石油煤石油煤 610 6104 4大气大气700070007/24/202491碳在地球上的轮回转世释放释放CO2的库，称为的库，称为“源源”（Source）；吸收为）；吸收为CO2的的库，称为库，称为汇汇(Sink)。岩石圈中的碳借助于岩石的风化。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爆发等可重返大和溶解，化石燃料的燃烧以及火山

44、爆发等可重返大气圈和水圈。贮存在动植物体内的碳也可因燃烧死气圈和水圈。贮存在动植物体内的碳也可因燃烧死亡后细菌分解等途径转化，将亡后细菌分解等途径转化，将CO2释放于大气中。释放于大气中。陆地生态系统也与大气迅速交换陆地生态系统也与大气迅速交换CO2，但其循环周，但其循环周期要数十年。地球早期陆地未被现代大气期要数十年。地球早期陆地未被现代大气CO2饱和，饱和，故当大气故当大气CO2增加时，陆地植物是人为碳的潜在碳增加时，陆地植物是人为碳的潜在碳汇。大气中汇。大气中CO2不断在海洋表面与之交换不断在海洋表面与之交换CO2，但，但海洋表面吸收海洋表面吸收CO2的能力却随大气中的能力却随大气中CO

45、2的浓度增的浓度增加而降低。加而降低。7/24/202492Carbon cycle7/24/202493温室效应 什么是温室效应？什么是温室效应？是如何形成的？是如何形成的？7/24/202494温室效应温室效应是大气吸收太阳热的一种效应，温室效应是大气吸收太阳热的一种效应，起主要作用的是大气中被称为温室气体起主要作用的是大气中被称为温室气体的微量气体，包括的微量气体，包括CO2、甲烷、水蒸气、甲烷、水蒸气、氯氟烃等，它们比其它气体传递氯氟烃等，它们比其它气体传递红外辐红外辐射的效率更差射的效率更差，使能量在对流层中积累，使能量在对流层中积累，这些气体浓度的增加将使气候变暖。这些气体浓度的增

46、加将使气候变暖。 7/24/202495Carbon cycle7/24/202496温室效应随人类繁衍增多以及生活水平的提高，所消耗的能量也与日俱随人类繁衍增多以及生活水平的提高，所消耗的能量也与日俱增，碳的消耗量也大大增加。增，碳的消耗量也大大增加。1850年到年到1950年的年的100年间，从化年间，从化石燃料计算全球所消耗的碳仅石燃料计算全球所消耗的碳仅600亿吨，而目前每一年的量就达亿吨，而目前每一年的量就达到到80-90亿吨碳亿吨碳。全球大气中全球大气中CO2含量已由含量已由1800年的年的280ppmv增至目前的增至目前的380ppmv。而。而1860年以来年以来,地球表面平均温

47、度也增加了地球表面平均温度也增加了0.60.2。工业革命后的近工业革命后的近200年来，人类活动已大大地改变了地球上碳的年来，人类活动已大大地改变了地球上碳的循环。全球变暖将进一步加剧海洋、土壤中储存的碳以循环。全球变暖将进一步加剧海洋、土壤中储存的碳以CO2形形式释放，冰山和积雪的减少将严重影响世界式释放，冰山和积雪的减少将严重影响世界1/6人水的供求。由人水的供求。由于海平面将升高，估计到于海平面将升高，估计到2100年海平面可能上升年海平面可能上升15-90cm，若，若在在50cm左右就将有左右就将有900万万人直接受到影响。气温的提高也将带人直接受到影响。气温的提高也将带来气候异常、物

48、种消失、空气湿度的进一步上升。来气候异常、物种消失、空气湿度的进一步上升。7/24/202497低碳社会 正是由于碳作为能量载体的循环所带来温室效应等正是由于碳作为能量载体的循环所带来温室效应等问题，需要人们对当前的生产和生活方式进行深刻问题，需要人们对当前的生产和生活方式进行深刻的反思。从世界范围来看，全球气候变化正在推动的反思。从世界范围来看，全球气候变化正在推动世界向低碳经济发展，朝节能减排方向转变，也更世界向低碳经济发展，朝节能减排方向转变，也更要求要求“低碳低碳”成为人们日常生活的一种习惯，养成自成为人们日常生活的一种习惯，养成自然而然地节约身边各种各样的资源。倡导然而然地节约身边各

49、种各样的资源。倡导低碳生活，低碳生活，呵护我们赖以生存的地球呵护我们赖以生存的地球。值得提醒的是，这里所谓值得提醒的是，这里所谓“低碳低碳”的的“碳碳”是是CO2的简的简称。实际上，人类将碳元素作为材料的开发和利用称。实际上，人类将碳元素作为材料的开发和利用正欣欣向荣，日新月异，各种碳质材料正在提高和正欣欣向荣，日新月异，各种碳质材料正在提高和改变着我们的生活。改变着我们的生活。更多利用更多利用“材料碳材料碳”，就会更少，就会更少使用使用“能源碳能源碳”，排出的，排出的CO2也将更少也将更少。7/24/2024987/24/2024997/24/2024100787 assemblers7/2

50、4/2024101应用这将使波音787成为有史以来第一款在主体结构上采用先进复合材料的民用飞机。重量比例将达到空前的50%，此前这个比例只有20%。由于采用了大量复合材料降低了飞机重量、同时新型的发动机和创新的流线型机翼设计，这些将使B787比目前同类飞机节省20%的燃油消耗。7/24/2024102B2B2飞机的整个飞机的整个机身，除主梁和机身，除主梁和发动机机舱使用发动机机舱使用的是钛复合材料的是钛复合材料外，其它部分均外，其它部分均由碳纤维和石墨由碳纤维和石墨等复合材料构成，等复合材料构成，不易反射雷达波。不易反射雷达波。并且，这些不同并且，这些不同的复合材料部件的复合材料部件不是靠铆钉拼合，不是靠铆钉拼合，而是经高压压铸而是经高压压铸而成。而成。7/24/2024103Tank you for your attention!7/24/2024104