什么东西可以生成碳（那些碳组成的宝贝）

碳是生命最为重要的组成元素，是有机物的重要骨架，但以碳一种元素为基础组成了许多各种各样的物质，各种物质有着各种用途，他们虽然价格不一样，但在各自的领域都是不可或缺的一环。今天我们来看一下由碳元素组成的高价值宝贝。

钻石为什么贵？

钻石极其稀有，一方面是钻石形成的位置很深、形成的温度和压力条件也极苛刻，同时由火山运动带出地表的钻石更加稀少，它们沉积在被称为金伯利岩和灯盏岩的火成岩中。

一粒镶嵌在火成岩中的八面体钻石

钻石之所以贵，不仅在于其稀有，更在于它优异的物理特性。

钻石是碳的菱形立方体结晶。我们知道碳的原子序数是6，它的外层有6个电子，这6个电子的轨道分布为1s²2s²2p²，它的第二层共有4个电子，这4个电子可以分别与相邻的原子结合成四面体，使轨道sp²变成更稳定的sp³。四面体是刚性的，粘合强，并且在所有已知物质中，钻石每单位体积具有最大数量的原子。

钻石与石墨结构对比

钻石的独特结构使其拥有优异的光学特性，它具有5.5 eV的宽禁带，相当于225纳米的深紫外波长，因此钻石透明且拥有极高的折射率。我们了解钻石因为它是珠宝界的宠儿，珠宝商将钻石打磨成各种各样的表面，使其折射出耀眼的光芒，同时又因为钻石的稀有和卓越的稳定性，常常被宣传为“一颗永流传”。

尽管钻石是世界上最坚硬的晶体之一，但我们从它的碳键结构可以看出，钻石的内部是有空间可以容纳各种杂质的。事实上任何元素都可以通过离子注入引入钻石，氮是目前宝石中最常见的杂质，是钻石中黄色和棕色的原因。

硼元素掺杂在碳原子之间，可以使其显示出蓝色，著名的就是因为其中含有微量硼杂质。

还有一些钻石因为其在形成的过程中不均匀地掺杂了各种其它物质，导致其显示出形态各异的花纹，大部分失去了宝石的价值，也有极少数因此身价倍增。比如“锦鲤钻石”：

与珠宝钻石相比，绝大多数开采出来的钻石因为有杂质被用作工业用途。世界上大约每年有27吨以上的开采钻石被用于工业，占全球钻石总开采量的80%以上。同时，人们还利用对石墨加压的办法大量生产人造金刚石用于生产和加工，每年人工合成的金刚石超过100吨。

钻石有极高的硬度和导热性，它是工业上理想的切割和研磨材料，比如被制成金刚石钻头、金刚石锯，它可以用来打磨砂轮，也可以被碾碎做成砂纸来打磨其它东西。与昂贵的宝石相比，这些金刚石真不值什么钱。

煤炭的生成

从元素的角度来分析，煤与钻石是同源的。钻石是碳的其中一种同素异形体，它最主要的构成元素就是碳原子。煤不是碳，煤是混合物，碳是其最主要组成部分，也是煤炭中最有价值的部分。

从成分上区分，煤炭大致以其含碳量大致分为褐煤、烟煤和无烟煤。

无烟煤含有90%以上的碳

在地球形成的初期，地球大气是没有氧气没有氮气也没有二氧化碳的，那时候围绕在地球表层的是氢气、甲烷、氨和水蒸气。之后不断有巨大小行星的撞击，强烈的地质活动和火山喷发将地下的氮气、一氧化碳和二氧化碳释放了出来，大气中开始积聚了大量的碳。这些碳的大部分溶解在水中形成碳酸盐，其余成为地球大气的一部分，同时，二氧化碳作为优良的温室气体，使地球保持了适合生命形成的温度。随着地球上第一批厌氧细菌和藻类的形成，它们大量吸收空气中的二氧化碳，将碳固定在地球表面，同时向大气层释放氧气。随着大气中的二氧化碳逐步减少、氧气越来越多，地球开始越来越适合动植物的生长。

从距今6.5亿年前开始，海洋中大量的藻类和细菌死亡后逐渐沉积，随着地质年代的变迁形成今天的石油。陆地上繁茂的植物在死亡之后也慢慢堆积，将它们从空气中吸收的碳固定在地面。

石炭纪繁茂的森林

地球上植物最繁茂的时期是开始于3.6亿年前的石炭纪，大量植物残骸堆积形成今天丰富的煤炭储存。这个时期煤层丰厚的一个主要原因是因为分解植物的细菌还没有进化完善，它们还没有进化出可以有效消化抗性酚醛木质素聚合物和蜡质木栓质聚合物的酶。煤层形成的另一个因素是这个时期地球的地壳活动十分活跃，大量动植物残骸被迅速深埋于地下，它们被压缩，在地底的高温和高压下，死植物被缓慢地转化为煤，植物中的碳得以保存在煤中。

煤矿综采设备正在挖煤

烟煤的含碳量大约为60%~80%；无烟煤的含碳量则高达92%~98%，它是一种煤化程度很高的燃料。

烟煤比较容易点燃，无烟煤很难点燃，而点燃石墨则是件非常困难的事，这决定了它们不同的用途。

同样是碳，与昂贵的钻石相比，煤炭却是低贱的，它们看起来肮脏，不值钱，只配拿来烧掉。但煤炭却是极重要的战略资源。

一名煤矿工人在井下作业

煤炭是世界上开采量最大的矿物之一，2017年全球煤炭开采量达75.5亿吨，世界探明煤炭可开采储量超过1万亿吨，这都是极惊人的数字，也足以证明煤炭在全球经济和人类发展中的重要地位。

煤炭是一种重要的化石燃料，大部分的煤炭都作为燃料用于发电、取暖和生火做饭等能源消耗，2017年全球一次能源消耗中煤炭占了28%。

早在新石器时代，我们的祖先就学会了燃烧煤炭；而在公元前1000年，东北地区抚顺矿的煤就被用来冶炼铜；公元13世纪，马可波罗就在他的游记中说，人们因为燃烧煤炭，“每个星期可以洗三次热水澡”；《天工开物》里也有介绍人们是如何从地下采煤和排放瓦斯的。

《天工开物》采煤图

煤的能量密度（热值）大约为24 MJ/kg，相当于每公斤约6.7千瓦时。大部分煤炭被用作燃煤电厂燃烧发电，发电厂通过燃烧煤炭加热水，再利用水蒸汽推动蒸汽轮机发电，电厂的燃煤发电效率大约为40%左右，而我们泰州目前最先进的超超临界二次再热燃煤发电机组设计发电煤耗256.2克∕千瓦时，是热效率最高的燃煤机组。

低硫煤炭在被炼成焦炭之后，是一种重要的冶炼原料。煤炭在炼焦炉的烘箱中被隔绝氧气加热到1000℃以上，其中大部分硫、磷和煤焦油等有机挥发性物质被去除，剩下多孔海绵状的碳和灰分，这就是焦炭。

煤炭不仅可以用于燃料、发电和金属冶炼，随着科学技术的发展，煤炭还可以通过液化和气化生产出更多的化工产品，用于国民经济的各个方面，强化我们的经济，丰富民众的生活。

煤炭与钻石的主要成分都是碳，由于它们产生的条件不同，它们在地球的储量差异巨大。

煤炭广泛存在于地壳浅层，有些巨型煤矿甚至是露天的，开采它们非常方便；但钻石产自数百公里深处的地幔，只是由于火山运动才有少量被带到地表，因此钻石的开采数量极少。

石墨是重要的战略资源

石墨是碳的一种同素异形体，为灰黑色，不透明固体，密度为2.25克每立方厘米，熔点为3652℃，沸点4827℃。化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应。687℃时在氧气中燃烧生成二氧化碳。可被强氧化剂如浓硝酸、高锰酸钾等氧化。可用作抗磨剂、润滑剂，高纯度石墨用作原子反应堆中的中子减速剂，还可用于制造坩埚、电极、电刷、干电池、石墨纤维、换热器、冷却器、电弧炉、弧光灯、铅笔的笔芯等。

石墨在极高的温度和压力下会变成钻石。研究表明，大多数天然钻石的年龄介于10亿至35亿年之间，它们形成于地球地幔150至250公里深度，少数甚至来自800公里深处。在高压和高温下，含碳化合物中大部分的矿物杂质一点一点地被挤压出去形成石墨，石墨的原子排列发生变化，变成钻石，并最终经由火山喷发带到地面。

石墨碳键改变的过程

石墨其实也是红极一时的石墨烯的制作原材料，石墨烯被广泛认为是21世纪的“神奇材料”，它的起源并不引人注目。这种二维材料最早于2004年问世，当时曼彻斯特大学(University of Manchester)的两位教授使用透明胶带从一块石墨上剥下石墨烯薄片。

这种材料是碳的结晶同素异形体，与钻石和石墨具有相同的特性。简单地说，这三个碳原子都是由碳原子以不同的方式结合在一起构成的。例如，石墨由六角形晶格中的碳原子结合而成，而石墨烯则由单片石墨构成。

石墨烯

正如《卫报》所解释的那样，石墨烯令人印象深刻的一系列特性包括:导电性能优于铜，不透气性好，强度是钢的200倍，但重量是钢的6倍，而且“几乎完全透明，因为它只吸收2%的光”。此外，“可以在其表面添加化学成分来改变其性质。”曼彻斯特大学在解释这些特性如何发挥作用时指出，石墨烯正在许多行业取得进展，比如交通、医药、电子、能源、国防和海水淡化。

石墨一直是现代工业与军工发展不可或缺的重要战略资源，不仅应用于耐火材料、电极电刷、铅笔、铸造、密封、润滑等传统工业领域，更是高端装备制造、新能源、新材料等战略性新兴产业及核电领域的关键资源，被誉为“21世纪支撑高新技术发展的战略资源”，素有“黑金”美誉。随着技术发展和应用领域的不断拓展，石墨资源的战略地位越来越受到重视：2010年，欧盟将石墨列为14种紧缺矿产资源之一；2013年，美国将石墨列为难以获得的战略性矿产之一；2016年，中国将晶质石墨列入战略性矿产目录。

我国是世界石墨资源大国，第一大石墨生产国、出口国和消费国，但长期以来，我国石墨加工技术落后，大量出口低附加值产品，高端深加工产品主要依赖进口，开发利用粗放，资源优势未能转化为技术和经济优势。未来，随着我国石墨资源战略地位凸显，科学利用和保护天然石墨资源，开发深加工技术和发展高端产品将成为石墨产业发展的必然趋势。

煤炭和石墨广泛应用于我们的生产和生活，人类文明的发展进步与煤炭的开采及利用是分不开的，从社会发展的角度看，无疑煤炭和石墨比钻石有更大的价值。

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