碳是一种化学元素，元素符号为 C，原子序数为 6。它是元素周期表中第14族的非金属元素，既以单质形式存在，也存在于种类繁多的化合物中。碳能与自身及其他元素形成牢固的化学键，因此在有机化学以及所有已知生命的分子结构中占据核心地位。碳单质具有多种结构不同的形态，包括石墨、金刚石和石墨烯，它们的物理性质差异显著。(periodic-table.rsc.org)
原子结构与成键
一个中性的碳原子含有六个质子和六个电子。其基态电子排布为 1s² 2s² 2p²，最外层有四个电子。碳通常通过共享电子形成四个共价键。这种四价性是碳化学的基本原理，不过，活性中间体和某些特殊化合物并不符合最简单的四键模型。(periodic-table.rsc.org)
碳原子可以彼此连接，形成长链、支链结构和环。这种能力称为成链性；再加上碳原子之间可以形成单键、双键和三键，使碳能够构成极其多样的分子结构。碳也容易与氢、氧、氮、磷等元素成键。相同的组成原子以不同方式排列，可形成性质不同的异构体，这就是同分异构现象。(openstax.org)
许多碳化合物的几何构型可用轨道杂化来描述：
- **sp³：**四个成键方向大致呈四面体排列，甲烷和金刚石中的碳即属此类。
- **sp²：**三个成键方向位于同一平面内，常见于双键以及石墨和石墨烯的六角形网络。
- **sp：**两个成键方向彼此相反，是含有碳碳三键的线性结构的典型特征。
这些描述有助于将分子的几何构型和成键方式与碳化合物及碳材料的性质联系起来。(openstax.org)
同位素与原子质量
碳有两种天然存在的稳定同位素：碳-12和碳-13。在通常的地球物质中，碳-12约占碳原子总数的98.84%—99.04%，碳-13约占0.96%—1.16%。物理、化学和生物过程会造成同位素分馏，因此两者的比例会有所变化。相应地，碳的标准原子量表示为区间 [12.0096, 12.0116]；12.011是常用的舍入值。(ciaaw.org)
统一原子质量单位以碳-12为基准定义：一个单位等于一个处于静止、基态的自由碳-12原子质量的十二分之一。因此，在这一标度下，碳-12的原子质量恰好为12。(ciaaw.org)
碳-14具有放射性，半衰期约为5,730年。它不断进入地球近地表环境，主要来源于宇宙射线诱发的核反应。它的丰度极低，对标准原子量的影响可以忽略不计。(ciaaw.org)
碳-14是放射性碳测年法的基础。这是一种放射性测年方法，用于测定含碳遗存及其他适用材料的年代。一旦样品停止与外部碳库交换碳，其中的碳-14含量就会因放射性衰变而逐渐减少。这种方法通常适用于距今约50,000年以内的年代。解释测年结果时，必须考虑污染、大气中同位素丰度的变化以及样品中碳的来源等因素；测得的放射性碳年龄并不直接等同于日历年龄。(pubs.usgs.gov)
同素异形体与碳材料
同素异形体是同一种元素形成的不同结构形态。碳的各种同素异形体性质迥异，说明原子排列方式如何决定材料的硬度、导电性、透明度及其他性质。(media.iupac.org)
**石墨**由层层堆叠的碳原子片层组成，各层中的原子排列成六角形网络。层内的强键合将原子紧密连接，而层间较弱的相互作用则使相邻片层能够相互滑动。石墨质软、不透明且能导电，因此可用于润滑剂、电气元件和高温应用。(nobelprize.org)
**金刚石**具有三维网络结构，其中每个碳原子都通过共价键与四个相邻碳原子相连。它极为坚硬，纯度足够高时呈透明状。在大气压下，金刚石处于亚稳态，而不是碳的平衡形态；它之所以能够持续存在，是因为转化为石墨的过程受到动力学阻碍。高压有利于金刚石的稳定。(goldbook.iupac.org)
**石墨烯**是碳原子按六角形晶格排列形成的单原子层。其电输运特性、机械强度和热导率使它在材料研究中具有重要地位。石墨烯也是理解石墨、碳纳米管和富勒烯笼状结构的有用参照。(nobelprize.org)
**富勒烯是具有封闭笼状结构的碳分子。最著名的例子是C₆₀，又称巴克明斯特富勒烯，其60个碳原子组成一个由五边形和六边形面构成的笼。碳纳米管**具有圆筒状碳网络，在几何上可视为卷起的石墨烯片层。这些结构使碳的研究范围超越了人们熟悉的块体晶体形态。(publications.iupac.org)
无定形碳和无序碳不具有理想石墨或金刚石那样的长程晶体有序性。这一类别包含局部成键方式和微观结构各异的材料，而不是一种均一的物质。木炭、焦炭和烟炱都是富碳材料，也可能含有其他元素和杂质，不能简单地将它们等同于化学纯碳。(media.iupac.org)
化合物与化学反应
烃只含碳和氢两种元素，从简单的甲烷分子（CH₄）到大得多的链状和环状分子，都属于这一类。含有其他元素的碳化合物包括醇、有机酸、糖，以及许多按官能团区分的其他类别。碳骨架及其所连接的基团共同决定化合物的化学行为。(openstax.org)
碳也存在于通常归为无机物的化合物中，包括二氧化碳和碳酸盐。碳酸盐矿物是石灰岩、白云岩等岩石的重要组成部分。因此，“含碳”和“有机”并不是可以互换的分类。(openstax.org)
碳具有多种氧化态，例如在甲烷中为−4，在单质中为0，在二氧化碳中为+4。含碳燃料的氧化是燃烧以及许多生物能量转化过程的核心。这类反应所释放的能量来自原有化学键断裂与新化学键形成的总体能量收支，而不是仅由断键产生。(periodic-table.rsc.org)
起源与分布
宇宙中的大量碳由恒星内部的核合成产生。在氦燃烧阶段，三个氦-4原子核通过三α过程结合成碳-12。恒星的质量流失和爆发现象将新形成的元素散布到太空中，为后续恒星和行星系统的形成提供物质。(imagine.gsfc.nasa.gov)
在地球上，碳存在于天然石墨和金刚石、碳酸盐岩、富碳沉积物、生物体、土壤、海洋和大气中。煤、石油和天然气等化石燃料中也含有碳。地球上的大部分碳储存在岩石中，而不是生物体或大气中。(periodic-table.rsc.org)
生物学作用与碳循环
碳构成主要生物分子的结构骨架，包括蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸。其多样的成键方式使它能够构成具有储存信息、催化反应、形成细胞结构和参与能量传递等功能的分子。(openstax.org)
在光合作用过程中，植物及其他光合生物利用外部提供的能量，将二氧化碳中的碳转化到有机化合物中。随后，碳在生物体及其环境之间流转。呼吸、分解和燃烧使有机碳重新转变为氧化形式，而一部分碳则储存在沉积物和岩石中。(science.nasa.gov)
碳循环涵盖这些碳库之间的交换。生物交换和海洋—大气交换，与风化、沉积物埋藏、火山释放等较慢的地质过程共同作用。碳库中的碳储量与碳进入或离开碳库的速率是不同的量；大型碳库的碳交换未必迅速。(science.nasa.gov)
历史
英文名称 carbon 源自拉丁语 carbo，意为木炭。史前时期的人类就已熟悉木炭和烟炱，因此碳不像那些首次在现代实验室中分离出的元素那样，有一个明确的发现日期。1797年，史密森·坦南特证明金刚石是纯碳的一种形态。(ciaaw.org)
1858年，奥古斯特·凯库勒和阿奇博尔德·库珀分别独立提出碳的四价性，推动了对有机化合物结构的认识。1874年，雅各布斯·范特霍夫和约瑟夫·勒贝尔提出了碳的四个成键方向的空间解释，促进了立体化学的发展。(openstax.org)
1985年发现富勒烯的工作获得了1996年诺贝尔化学奖。2004年报道的分离石墨烯实验随后开创了二维材料研究的重要领域，并获得了2010年诺贝尔物理学奖。(nobelprize.org)
应用与环境意义
碳材料在工业中承担多种不同的功能：
- 石墨用于润滑剂、耐火材料、电动机电刷和电极。天然石墨和人造石墨都是锂离子电池的重要负极材料。(usgs.gov)
- 金刚石因其硬度而用于切割、钻孔和磨削工具。(periodic-table.rsc.org)
- **活性炭**用于过滤和净化，其多孔结构有利于吸附。(periodic-table.rsc.org)
- 碳纤维在复合材料中提供高强度、轻质的增强作用，这些材料用于飞机、运动器材和其他产品。(periodic-table.rsc.org)
- 焦炭和木炭用于金属冶炼；烃则既可作为燃料，也可作为生产塑料、溶剂和合成纤维等产品的化工原料。(periodic-table.rsc.org)
碳的环境影响取决于其化学形态以及它在各碳库之间的迁移。化石燃料燃烧和土地利用变化会改变碳循环，增加大气中的二氧化碳。二氧化碳和甲烷是参与气候变化的温室气体，而海洋吸收二氧化碳则会促成海洋酸化。这些影响涉及特定的化合物和过程，不能将它们笼统地归于碳单质这一种物质。(science.nasa.gov)
以碳的质量表示的测量值，也必须与以二氧化碳质量表示的测量值区分开。根据两者的近似摩尔质量，1吨碳完全转化为CO₂时，对应44/12吨，即约3.67吨二氧化碳。这只是质量换算，并不能衡量各种含碳物质的气候效应。(periodic-table.rsc.org)
参考来源
- Carbon — Element information, properties and usesperiodic-table.rsc.org
- Atomic Weight of Carbonciaaw.org
- Standard Atomic Weightsciaaw.org
- Frequently Asked Questionsciaaw.org
- 3 Biological Molecules — Concepts of Biologyopenstax.org
- 3 Carbon — Biology 2eopenstax.org
- 4 Development of Chemical Bonding Theory — Organic Chemistryopenstax.org
- The Chemical Bondcen.acs.org
- The transformation of diamond to graphite: Experiments reveal the presence of an intermediate linear carbon phasedoi.org
- Graphene: Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010nobelprize.org