碳基生命以外的生命（碳基生命是什么意思）

哪种碳导电 神奇的碳元素-碳基生命

碳是什么？

碳在地壳中的质量分数为0.027%，在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。

截止1998年底，在全球更大的化学文摘——美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种，其中绝大多数是碳的化合物。

众所周知，生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长，演变成为蛋白质和核酸；然后演化出原始的单细胞，又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩、直至人类。这三四十亿年的生命交响乐，它的主旋律是碳的化学演变。可以说，没有碳，就没有生命。碳，是生命世界的栋梁之材。

从黑乎乎的火里烧出来的便宜的木炭，到光线下晶莹剔透散发五彩光芒的昂贵的钻石！从非常柔软的石墨，到轻易切开玻璃硬度非常高的金刚石！哦，对了钻石就是金刚石，不过是应用在不同领域的习惯叫法！而这一切，竟然都是碳元素存在于自然界的不同状态，也就是所谓同素异构体！产生这种截然不同的原因是什么呢？那就得从微观的杂化轨道理论谈起吧！

神奇的化学电子争抢大戏！

化学里轨道理论是重要的基础，每一个化学元素，理论上最外层应该可以有8个电子，一般不会填满，如果填满就是惰性物质，如我们知道的惰性气体。其他大部分是1-7个电子，电子少于4的一般是活泼的金属，电子容易被“人”夺走，多余4的，容易抢来“别人”的电子，例如氧气。这就形成了化学键。那么正好是4的，化学性质就比较稳定，没有8的稳定，也可以抢来“别人”的电子，自己也会被“别人”抢走。但因为这个力量有些势均力敌，不容易完全夺走或抢过来，所以大部分处于相持状态，这样的化学键就是共价键。有机化学就是大部分是共价键基础上的科学，所以有机化学也可以在一定程度上说是碳化学，有机物在上一步就是生命。学有机化学都学过一点轨道杂化理论，这种杂化理论就相当于抢电子但不能完全抢走形成的共价键理论，但有的偏向于抢少一些，有的抢多一些。

碳的同素异形体

碳在自然界中存在有多种同素异形体──金刚石、石墨、石墨烯，碳纳米管，C60，六方晶系陨石钻石（蓝丝黛尔石）。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了CO2，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。正是拉瓦锡把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家哈里可劳特等人发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。

a) 立方金刚石, b) 石墨, c) 六方金刚石, d) C60, e) C540, f) C70 g)无定形碳, h) 单壁碳纳米管

金刚石

金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度更大。测定物质硬度的刻画法规定，以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如Cr的硬度为9、Fe为4.5、Pb为1.5、钠为0.4等。在所有单质中，它的熔点更高，达3823K。

金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。

由于金刚石晶体中C─C键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。

室温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成CO2。

金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。

钻石（金刚石）

石墨

石墨乌黑柔软，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为3773K。

在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子，同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大п键(键)。这些离域电子可以在整个儿碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向的良好导电导热性质。

石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开。石墨质软具有润滑性。

由于石墨层中有自由的电子存在，石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。

由于石墨能导电，有具有化学惰性，耐高温，易于成型和机械加工，所以石墨被大量用来 电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。

石墨矿石

C60

以C60为代表的富勒烯是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，也被称为“足球烯”，它是一种典型的零维纳米材料，是1985年由英国科学家H.W.Kroto、美国科学家R.F.Curl和R.E.Smally三人用质谱法检测激光束照射石墨时发现的，并于1996年度获得诺贝尔化学奖。富勒烯作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，可想像我们的未来生活中将有“无金属电线”、“富勒烯（非金属）钢筋的建筑物”、“富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”等。

C60

碳纳米管

碳纳米管是1991年被发现的一维纳米炭材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管组成，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2-20nm，按照层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，使得碳纳米管具有高模量和高强度等良好的力学性质。碳纳米管还具有良好的导电性和导热性，并可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为传统的触摸屏材料。

碳纳米管

石墨烯

石墨烯是由单层碳原子组成的二维平面结构，于2004年问世，其发现者英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授于2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层,它是目前所知的自然界中最薄的材料。石墨烯是一种透明、良好的导体，非常适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，更先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

石墨烯

随着科技的不断发展，炭材料家族似乎具有无限的开发可能性，也将为科学研究以及人类生活提供更丰富的色彩。

碳-14同位素

碳-14同位素还可以用来判断年份，这项技术广泛应用于考古学，地质学，法证医学，甚至红酒鉴定。

因为碳-14是一种不稳定的同位素，它的半衰期为5730年，所以当生物体或者植物体的组织死亡之后，因为停止了与大气进行二氧化碳交换，所以碳-14会不断衰变减少，这种细微的数值可以通过质谱仪测量样品中的碳-14含量来确定其“停止与大气交换碳-14的时间”，再结合样本周围的环境、特征各项影响因素，来推断出人们想要的结果；比如对红酒中的乙醇进行碳-14含量分析进而确定生产年份，其精确度可以达到1年以内；对可卡因进行分析来确定毒品的可能来源；对仅仅只剩下白骨的犯罪现场，白骨已经失去所有的法证医学特征的时候可以推断出可能死亡时间，近年来医学采用碳14呼吸试验，来检验患者有无幽门螺杆菌的感染。

碳材料的应用--以石墨烯为例

石墨烯材料类产品

石墨烯民生类产品

石墨烯绿能类产品

石墨烯生医类产品

汽车配件

碳材料矿物来源--石墨

石墨是碳的结晶体，是一种非金属材料，色泽银灰、质软、具有金属光泽。天然石墨可分为结晶较为完善的鳞状石墨和块状石墨。天然石墨具有优良的性能，可以用来生产天然石墨电极、电池炭棒和电刷、石墨坩埚、石墨质阴极等多种产品，在近代工业生产中的用途非常广泛。

我国石墨矿床主要有三类

①区域变质型（例如，黑龙江鸡西柳毛，辽宁桓仁，内蒙古兴和，山东莱西南墅，河南背孜，四川攀枝花中坝，云南戌街，湖北宜昌三岔垭，江西金溪峡山，新疆苏鲁别珍和玉泉山等）。

②接触变质型（例如，吉林磐石，湖南鲁塘，江西长寿源等）。

③同化混染型（例如，新疆尉犁托克布拉克，新疆奇台苏吉泉和黄羊山）。

这三类石墨矿床均属富有机质地层再造而成的后生矿床。

中国石墨矿床在不同构造板块分布示意图

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