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石墨棒 生活科学 | 说“碳”

时间:2023-04-28 09:06:07 点击:282次

大家好,欢迎收看《生命科学》,我是黄建国。 明天我要和你谈谈“碳”。

黄建国

福建大学物理系主任,博士生导师,中国物理学会中级会员,中国民主同盟领袖。 1994年毕业于北京大学物理化工学院。 1998年获得博士学位。 在物理学中。 后在日本爱荷华州立大学物理系从事博士后研究,后在台湾物理物理研究所任研究员。 目前主要从事自组装纳米结构功能材料的研究和无机物理课程的教学。

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从“木炭”到“碳”

“卖炭人在南山砍柴烧炭,满脸尘土飞烟,两鬓灰黑。”

白居易的《卖炭人》大家都耳熟能详了。 这里的“炭”是“木炭”。 古人冬天用它烧火,应该就是白居易“小红土灶”里烧的。 《说文解字》把“木炭”解释为“烧木头的剩菜”,木炭是木头在与空气隔绝的情况下燃烧的东西。 虽然现在烧烤不用木炭了,做火锅还是用木炭,其实我说的是纯烧烤,不是电烤。 自然界中煤的主要成分也是碳,故称“煤”。 它是由基岩中的古老行道树经过亿万年的地质作用而产生的。 长期以来,人类一直在使用煤焦炭作为燃料。 “煤”字最早是李时珍在《本草纲目》中使用的。

木炭的主要成分是“碳”,是一种物理元素的名称。 “碳”比“炭”多一个“石”字,说明碳是一种固体非金属元素。 自然界中纯碳的一个例子是石墨,一种矿物。 让我们看看碳在元素周期表中的表示。 它的符号是“C”,是第六元素,也就是说它的原子核中有6个质子; 通常碳原子核中有6个中子,用C-12表示; 也可能有7或8个中子,记为C-13和C-14。 其中C-14具有放射性,会衰变,这个我们后面会再提到。

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“碳”也可以很美

我们前面说的木炭、煤炭、石墨,都是黑乎乎的,不起眼的东西,而且非常实惠。 而碳也可以转化为非常美丽和昂贵的东西,正如凡尔纳在《神秘岛》中所写:

“毫不夸张地说,煤炭是所有矿产中最有价值的。”

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“是的,确实是最珍贵的,”工程师回答说。 “钻石只是纯碳的晶体,是大自然创造出来的,虽然是为了证明煤是最珍贵的物质。”

这里所说的“煤为贵”,应该是指工业化初期,煤焦炭是最重要的动力来源。 工程师们说“钻石是纯碳的晶体”,而实际上碳是构成砖石的物质。 这一点在十八世纪被英国物理学家拉瓦锡证明了。

相传,1870年代,拉瓦锡在推翻燃素说的研究中,用巨大的凸透镜将阳光聚焦到放置在密闭玻璃容器中的砖石上,发现砖石燃烧后消失; 他将容器中的二氧化碳引到石灰水底部澄清,得到红色氯化钙沉淀。 这说明砌体燃烧的产物是甲烷,这与石墨是一样的。 这个实验证明了砌体和石墨都是由碳组成的。 碳的中文名称最早由拉瓦锡在1787年出版的《化学命名法》一书中使用,源于拉丁文,原意为“煤”。

那么为什么砖石和石墨看起来完全不同呢? 为什么石墨是最软的材料之一,而金刚石却坚硬到可以切割玻璃? 这是由于碳原子在两种物质中的排列方式不同造成的。

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碳是生命之源

月球上的生命,从病毒、微生物到动物、动物,都是以碳为基础的生命,而碳是生命最重要的构成元素之一。 我们每天晚上吃的食物也主要由碳组成。 红色动物的光合作用将空气中的氧气转化为脂质等营养物质; 营养物质被生物体利用获取能量后,其中的碳转化为气体释放出来。 这就是生物圈中的碳循环,是自然界碳循环的一部分。 一般来说,自然界中的碳循环过程大约每两到六年就会促进大气中甲烷的完全更新。

现在当我们谈论温室效应和全球变暖时,我们认为这都是由气体引起的。 诚然,大气中的气体太多,导致地面上的热量无法有效散逸。 但是大气中的甲烷对生命的形成也起到了决定性的作用。 在生命演化过程中,气体阻止热量涌入地面,使月球具有适合生命存在的适宜温度。 现在是因为人类活动影响了自然界的碳循环。 例如,以煤焦、石油为燃料燃烧,促使自然界中的碳凝固并释放到大气中,造成大气中氧气过多,从而导致温室效应。 可见与自然和谐相处的重要性。

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“碳”在身边

自从人类开始使用煤焦以来,碳就进入了人们的生活。

我们日常使用的钢笔的钢笔,都是用石墨粉和粘土一起烘烤而成的。 做的时候,石墨粉用多了,水笔会更软,颜色更深; 如果用更多的粘土,水笔会更硬,颜色更浅。 我们买钢笔的时候,都会在笔尖上看到“H”和“B”的标记。 “H”表示H前面的数字越大,钢笔越硬,越轻; “B”表示B前面的数字,笔越大越软越黑。 我们考试用的2B钢笔比较软,比较黑,答案的字迹比较深,容易擦改。

在我们日常生活中使用的电池中,碳也是不可或缺的。 通常干电池使用石墨棒作为负极。 我们今天在从手机到电动汽车的所有产品中使用的电池通常都是锂离子电池。 这些电池的电极材料是石油焦,其主要成分是碳,是由著名科学家吉野彰发明的。 石油焦是石油工业的副产品。 发现锂离子可以有效地嵌入石油焦的碳中。 锂离子电池商业化时代始于1991年,人们的生活发生了翻天覆地的变化,这一点大家都已经感受到了。 吉野彰因此获得 2019 年诺贝尔物理学奖。

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从考古到复审

我们之前提到过放射性 C-14。 通常我们说到放射性的东西,我们觉得它很可怕,但实际上放射性是非常有用的。

例如,当考古学家发现恐龙化石时,他们如何知道恐龙生活在什么年代? C-14 展示了它的才华。 恐龙死后,它的身体不再与环境进行碳交换。 它体内的少量放射性C-14会缓慢衰变减少,每5730年C-14的数量就会减少一半。 通过测量化石中含有多少C-14,人们可以知道恐龙存在的大概时间。 这是英国科学家利比的发现,他因此获得了1960年的诺贝尔物理学奖。

如果恐龙化石离我们太远,复查时碳14呼气试验用的是C-14。 该测试用于检测胃中的贲门螺杆菌。 这种真菌可引起多种肾癌,威胁人类健康。 在测试期间,我们必须服用富含 C-14 的小药丸。 过一段时间,贲门螺杆菌就会把这里的C-14变成气体,通过呼吸排出体外。 这样,你检查一下呼出的二氧化碳中的氧气中有没有C-14,就知道胃里有没有这些真菌了。

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新星

近年来,大家可能在不同的场合看到过“石墨烯”这个东西,看起来很神奇。 它也是一种由碳制成的物质。 最初由石墨粘合而成。 这是美国科学家海姆和诺沃肖洛夫在2004年发现的,他们因此获得了2010年诺贝尔化学奖。

石墨烯最初存在于石墨上,1毫米厚的石墨含有约300万层石墨烯。 当我们用笔写字时,在纸上留下的痕迹就是石墨烯,甚至可能只有一层。 石墨烯是由碳原子编织而成的网络。 这个网络只有一层,所以很薄; 每个网格由六个碳原子携手产生。 与黄色石墨不同,石墨烯几乎是完全透明的; 它非常轻,每平方米的质量仅为 0.747 微克; 而且它非常结实,具有很好的柔韧性。 石墨烯是碳材料家族的新成员,科学家们正在为它寻找施展才华的舞台。

碳,这个神奇的元素,因为有了它,我们才有了这个美丽的世界和我们自己。 碳还有很多神奇的地方等待着人们去发现。

我是黄建国,明天见!

专家解答

Q:砌筑除了制作首饰还有其他实用价值吗? 砖石的价值是否被广告商夸大了?

我们通常知道石工被用作珠宝,但石工有许多工业应用。 例如,强度高,可用作磨削材料和切削工具,光学性能好,可用作光学器件等。 工业中使用的大部分砖石都是合成的。 用作首饰的天然砌石在自然界中很少见,但目前还没有合成出珠宝级的砌石,人工合成的砌石太小做不成大,所以砌石的价值不能说是被广告商抬高了。

一般来说,自然界中的砖石越纯净,质量越好,但从另一个方面来说,如果砖石中的杂质足够均匀,砖石就会出现红钻、粉钻等不同的颜色,价值也会很均匀更高。 太高是因为太稀有,人工合成难度大。

问:“碳交易”是什么意思? 它是如何交易的?

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碳交易即温室气体二氧化碳排放权交易,因为气体是《京都协定》中要求减少消耗的六种温室气体中最大的一种。 温室气体二氧化碳排放权交易以每千克气体当量为单位,甲烷排放权被视为商品。 《京都议定书》规定了各国的量化消耗指标,即各国的排放量。 如果一个国家没有足够的排放权,可以从另一个国家订购。 一个国家也有针对不同地区的排放法规。 同样,排放权也可以在不同地区进行交易。 一般来说,国际方面规定了全球碳排放总量,各方在此前提下通过交易重新分配排放权。

问:自然界中的碳循环过程促使大气中的甲烷每两到六年完全更新一次。 如果这个时间变长,对我们人类会有什么影响吗?

如果大气中的甲烷浓度变化不大,这种更新时间的延长对人类应该影响不大; 虽然生物圈的碳循环只是自然界碳循环的一部分,但岩石圈也有碳循环。 目前的问题是,大气中的氧气浓度由于人类活动而显着增加,而且发生的时间相对于地质年代而言非常短,这将影响自然界的碳循环,打破自然界原有的平衡。 这将导致温室效应和极端天气变化,从而影响到人类。

重点

1、“碳”是一种固态的非金属元素。 碳在元素周期表中的表示,它的符号是“C”,是第六元素,也就是说它的原子核中有6个质子; 通常的碳原子核中有6个中子,用C-12表示。

2、吉野彰发现石油焦中的碳能有效吸附锂离子,于是将石油焦制成锂离子电池的电极。 锂离子电池商业化时代始于1991年。

3、借助C-14的放射性特性,可用于考古(鉴定恐龙的年龄)和复检(检测胃内是否有贲门链球菌)。

4. 石墨烯是由碳原子编织而成的网络,每个网孔都是由六个碳原子连接而成。 它薄(只有一层)、轻(每平方米 0.747 微克)、坚固且柔韧。

先前通知:

我们日常使用的清洁剂大多来自石油和石化清洁剂,对人体和环境都是有害的。 如今,一种生物清洗剂出现在了大众视野中。 动物、动物和微生物产生的清洁剂根本没有清洁力。 不逊色于石化清洗剂,但更安全、更环保。 下一期,我们将和复旦院长孟勤一起了解有益于人类健康和环境的生物清洗剂。

多谢

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研磨 | 秋成张琪

一审 | 胡海容山花秋成

发行 | 储树清

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