元素周期表系列：第6号元素——碳元素

化学科学评论
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元素周期表系列：第6号元素——碳元素

曹逊

博士科普元素团队

碳的命名来自于拉丁语“木炭”之意。拉丁语中“煤”称为Carbo，元素碳的英文名称Carbon就是由此而来的。据美国《化学文摘》对全世界400多万的化合物进行统计，发现其中不含碳的化合物仅占10万种左右。

碳是什么样的一种元素呢？

博科小答：碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族，碳的熔点为3500 ℃，沸点为4827 ℃，不溶于水。碳以多种形式广泛存在与生物体内与地壳之中，人们在很早之前就开始认识并利用碳单质。碳的一系列化合物（有机物）构成了生命的基本组成。碳能结合其他元素形成大量的化合物，成为生物与商业上的重要组成分子。与碳相关的无数化合物和我们日常生活十分密切，比如香水、塑料、尼龙、汽油、鞋油等。

图1 无定形碳的外观形貌

碳元素的发现历程是怎样的？

博科小答：早在史前阶段，碳就被发现。人类最早使用的碳是炭黑与煤。在公元前2500年左右，钻石开始在中国被熟知，同时碳的另一种形式——煤，在罗马时代被逐步使用。1722年，科学家证明铁能够吸收一些物质从而转换成钢，并证实这种物质就是现在所熟知的碳。在1772年，安东尼拉瓦锡证实钻石是碳的一种存在形式，并发现等质量的钻石与煤燃烧所生成的二氧化碳是等量的。在1786年，法国两位化学家通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨进行氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。在1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。

自然界中的碳循环是怎样形成的？

博科小答：地球上的碳总量是一个常数，碳在自然界中的流动变化形成了碳循环。植物从外部环境吸收二氧化碳用来贮存生物质能，例如碳呼吸和卡尔文循环。一些生物可以通过进食将含碳化合物转移到自己体内，部分碳元素会以二氧化碳的形式被动物所呼出。一些二氧化碳又会溶解于海洋之中，而死去的动植物又会经过长时间的作用形成煤、石油以及天然气，然后又经过燃烧释放出碳。

碳的同素异形体有哪些？

博科小答：碳的同素异形体包括金刚石、石墨、足球烯（富勒烯）、碳气凝胶、碳纳米泡沫、石墨烯等。其中，金刚石是最为坚固的一种碳结构，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密结合形成网状晶体结构，最终成为硬度大但活性差的固体，可以用作装饰品以及钻头材料等。石墨的形态与透明坚硬的金刚石完全不同，它是一种深灰色有金属光泽的细鳞片状固体，可用于制作铅笔、电极、电车缆线等。足球烯一个分子中含有60个碳原子，构成32个面：20个正六边形及12个正五边形。石墨烯是一种二维晶体，是将片层结构的石墨剥离成单层后所得到的只有一个碳原子厚度的单层状晶体。

石墨烯是怎样一种神奇的材料？

博科小答：石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂窝晶格的网络状二维纳米材料。得益于其物理结构、石墨烯具有优异的光学、力学、电学特性，在能源、生物医药、纳米材料、药物递送等领域有着广泛的应用前景。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用机械剥离的方法将石墨分离制备出石墨烯，并以此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯可以通过机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法以及化学气相沉积法进行制备。石墨烯材料优异的物化性能与潜在的应用价值使得国内外不同领域研究者们尝试着不同的方法制备高质量且大面积的石墨烯材料，通过石墨烯制备工艺的不断优化与改进，降低石墨烯制备成本使得其逐步走向产业化。

图2 石墨烯结构图

碳是否具有毒性？

博科小答：对于人体而言，纯碳具有极低的毒性，甚至可以在一定的情况下以石墨或者活性炭的形式被人体进行安全地摄取。但是碳可以抵抗人体消化道内的酸性物质，在人体组织内可能无限期存留。然而，吸入大量煤炭粉尘或烟尘确实是危险的，他们会进入肺部刺激肺组织，并引起充血性肺病。此外，金刚石的磨粉被误食或者吸入也会对人体造成损坏。

中国碳排放面临着怎样的挑战？

博科小答：随着我国的飞速发展，工业化、城镇化的进度逐渐加快，化石燃料的消耗迅速攀升，环境问题日益严重，温室气体二氧化碳气体排放量不断上升。能源与环境问题已成为制约我国经济与社会发展的主要因素。同时，受到来自国际碳减排的压力，我国政府承诺在2005年的基础上，到2020年碳排放强度要下降40%-45%，非化石能源占一次能源消费的比重要上升至15%左右，森林蓄积量要增加13亿立方米。这对我国来说是一个非常大的挑战。

 

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参考文献

1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition.

2百度百科 碳元素

3百度百科 石墨烯

4王雅楠等，基于GWR模型中国碳排放空间差异研究，《中国人口·资源与环境》，2016，26（2）.

元素周期表系列：第5号元素——硼元素

化学科学评论
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元素周期表系列：第5号元素——硼元素

张沁榕

博士科普元素团队

 

作为一个排名如此靠前的元素，硼的存在感似乎有些弱。然而它真的没有什么可圈可点之处吗？你可能不知道，在竞争世界上最硬材料的比拼中，硼可是一匹黑马哦。

硼是什么样的一种元素呢？

博科小答：硼在元素周期表中名列第五，为第III族主族元素，原子量10.811。硼是一种类金属，共有14种同位素。它表现为黑色或银灰色固体，其中晶体硼为黑色。

硼在国外常常被列为稀有元素，而我国却有着非常丰富的硼砂矿，硼在我国是丰产元素。

硼的原子半径很小，从上图可以看到，它原子的最外层只有三个电子，被原子核正电荷紧紧吸引，从而更趋向于得到电子。单质硼是正二十面体的晶体，每个面都是等边三角形。硼在形成化合物时，总是采用这种多面体的结构。而正是由于此，硼可以形成多种形式的化合物：硼烷、碳硼烷等等。有人曾经说过：“硼化学几乎可以和碳化学（有机）相媲美”，这也算是对硼这个朴实元素的高度美誉了。

硼元素的名字有什么来由吗？

博科小答：“硼”这个名字的由来非常简单：Boron在拉丁语中的意思是硼砂，而其阿拉伯语意为焊接。这正是由于硼砂可以融化金属从而进行焊接。

而将硼化合物作为助熔剂最早可以追溯到古埃及。而在我国古代的炼丹术中，硼酸盐也是所需材料之一，虽然当时那些道人并不了解他们所用的东西到底是什么。单质硼通常是由还原硼酸得到的，比如1807年英国化学家分别使用电解法在两片白金面之间电解还原湿硼酸，和在金属管中用钾还原硼酸两种方法制得单质硼。

硼如何参与我们的日常生活呢？

博科小答：作为一个存在感很低的元素，游离的单质硼用处的确很有限。但是谈到硼的化合物，它的作用就很多了。硼的一种重要化合物硼砂（Borax），Na2B4O7·10H2O，被广泛应用于家用清洁，比如洗涤剂、清洁剂；医院也常使用它作为消毒剂。除此之外，硼砂还有驱逐蚊虫、软化水、去除地毯异味、清洁管道等等作用。

硼与神秘的木乃伊

硼和木乃伊又有什么渊源呢？在古埃及的木乃伊中有一种叫做“泡碱”的矿石起到了非常大的作用。而硼酸盐就是该矿石的成分之一。由于年代久远，一些具体的制作细节已经无法考究。然而考古学家发现，硼砂矿石在木乃伊的制作过程中，似乎在杀菌防腐和提高粘合度两个方面都起到了重要的作用。

到底“谁是世界上最硬的材料”？

博科小答：对于这个问题的答案，你可能会脱口而出：当然是金刚石啊！6号元素碳的同素异形体金刚石的确非常硬，长久以来在硬度排行榜上都位居榜首。然而神奇的是，5号元素硼和7号元素氮的化合物氮化硼形成的交替型纤锌矿晶体比金刚石还要硬！

而碳化硼也是已知最坚硬的物质之一。不仅如此，碳化硼还是神秘的特工武器：可以毁坏敌人的交通工具。将碳化硼颗粒倒入油箱后，这些坚硬的颗粒会对引擎的气缸壁造成不可修复的划痕，从而使引擎无法正常工作。此外，碳化硼还是一种中子吸收剂：它可以吸收大量的中子而不形成任何放射性同位素。因此它在核电站中可以用来控制核反应分裂速率。在1986年切尔诺贝利核事故发生后，俄罗斯在核电站投下近2000吨碳化硼和沙子，终止了反应堆中的链式反应。

硼真的可以带我们飞

在现代的航天事业中，硼真是功不可没，担起了“无机物的后起之秀”这一称号。

首先，硼烷（BnHn+4 和BnHn+6）是一种理想的高能燃料。每千克硼烷的燃烧热值高达15000千卡，为火箭上天提供了动力。其次，硼纤维是火箭组成部分的重要材料：用来作火箭喷嘴、卫星天线和设备平台支承杆、推力结构架等等。硼纤维在很多方面具有十分优秀的特性：耐高温、耐腐蚀、寿命长、质量轻；而其抗张强度更是高达每立方厘米75千克之多。此外，我们曾讨论过硼化合物作为粘合剂参与的木乃伊制作；在火箭上，硼的有机化合物被用来粘合密封部件。比起传统的铆合、焊接、栓和，不仅牢固，更是大大减轻了部件的重量。

硼与生命

硼普遍存在于蔬菜水果中，它是维持骨骼健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。它易于吸收。大多数硼会以尿液的形式排除体外。硼的缺乏会加重维生素D的缺乏。

植物对于硼的依赖更加明显：棉花缺硼会发生落桃现象；大豆缺硼根瘤菌则无法很好地固氮；苹果缺硼果肉会出现坚硬的斑块，果皮还会出现凹陷和坏死。豆科植物、十字花科植物、麻类、果树等都需要微量的硼：这是氮磷钾无法取代的。硼不仅参与碳水化合物的运输和转化，还是开花结果不可获取的营养成分。

硼有毒吗？

博科小答：早在1906年俄罗斯就禁止使用硼的化合物来保存食品。硼的许多化合物是有毒的，这一点我们需要重视：硼酸的致死量是4克，硼氢化合物有剧毒，而乙硼烷的毒性则与光气不相上下。

硼中毒的表现有食欲不振、呕吐、咳嗽、发炎、头痛等。作为一种在生活、生产方方面面中都用途多多的元素，我们更需要科学地使用和驾驭它。

 

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参考文献

1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition.

2[美] Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版)人民邮电出版社.

3百度云百科 硼

4百度文库  元素的名称,来源和读音https://wenku.baidu.com/view/4aaca19a9b6648d7c0c7467e.html

5百度百科 硼砂

6硼砂的常见用途与作用 http://www.ew9z.com/pengsha-yongtu-zuoyong.html

7维基百科 硼砂

8维基百科 硼的同位素