大家好，歡迎收看《生命科學(xué)》，我是黃建國。 明天我要和你談?wù)劇疤肌薄?/p>

黃建國

福建大學(xué)物理系主任，博士生導(dǎo)師，中國物理學(xué)會(huì)中級(jí)會(huì)員，中國民主同盟領(lǐng)袖。 1994年畢業(yè)于北京大學(xué)物理化工學(xué)院。 1998年獲得博士學(xué)位。 在物理學(xué)中。 后在日本愛荷華州立大學(xué)物理系從事博士后研究，后在臺(tái)灣物理物理研究所任研究員。 目前主要從事自組裝納米結(jié)構(gòu)功能材料的研究和無機(jī)物理課程的教學(xué)。

1個(gè)

3個(gè)

從“木炭”到“碳”

“賣炭人在南山砍柴燒炭，滿臉塵土飛煙，兩鬢灰黑?！?/p>

白居易的《賣炭人》大家都耳熟能詳了。 這里的“炭”是“木炭”。 古人冬天用它燒火，應(yīng)該就是白居易“小紅土灶”里燒的。 《說文解字》把“木炭”解釋為“燒木頭的剩菜”，木炭是木頭在與空氣隔絕的情況下燃燒的東西。 雖然現(xiàn)在燒烤不用木炭了，做火鍋還是用木炭，其實(shí)我說的是純燒烤，不是電烤。 自然界中煤的主要成分也是碳，故稱“煤”。 它是由基巖中的古老行道樹經(jīng)過億萬年的地質(zhì)作用而產(chǎn)生的。 長(zhǎng)期以來，人類一直在使用煤焦炭作為燃料。 “煤”字最早是李時(shí)珍在《本草綱目》中使用的。

木炭的主要成分是“碳”，是一種物理元素的名稱。 “碳”比“炭”多一個(gè)“石”字，說明碳是一種固體非金屬元素。 自然界中純碳的一個(gè)例子是石墨，一種礦物。 讓我們看看碳在元素周期表中的表示。 它的符號(hào)是“C”，是第六元素，也就是說它的原子核中有6個(gè)質(zhì)子； 通常碳原子核中有6個(gè)中子，用C-12表示； 也可能有7或8個(gè)中子，記為C-13和C-14。 其中C-14具有放射性，會(huì)衰變，這個(gè)我們后面會(huì)再提到。

2個(gè)

3個(gè)

“碳”也可以很美

我們前面說的木炭、煤炭、石墨，都是黑乎乎的，不起眼的東西，而且非常實(shí)惠。 而碳也可以轉(zhuǎn)化為非常美麗和昂貴的東西，正如凡爾納在《神秘島》中所寫：

“毫不夸張地說，煤炭是所有礦產(chǎn)中最有價(jià)值的?！?/p>

“是的，確實(shí)是最珍貴的，”工程師回答說。 “鉆石只是純碳的晶體，是大自然創(chuàng)造出來的，雖然是為了證明煤是最珍貴的物質(zhì)?！?/p>

這里所說的“煤為貴”，應(yīng)該是指工業(yè)化初期，煤焦炭是最重要的動(dòng)力來源。 工程師們說“鉆石是純碳的晶體”，而實(shí)際上碳是構(gòu)成磚石的物質(zhì)。 這一點(diǎn)在十八世紀(jì)被英國物理學(xué)家拉瓦錫證明了。

相傳，1870年代，拉瓦錫在推翻燃素說的研究中，用巨大的凸透鏡將陽光聚焦到放置在密閉玻璃容器中的磚石上，發(fā)現(xiàn)磚石燃燒后消失； 他將容器中的二氧化碳引到石灰水底部澄清，得到紅色氯化鈣沉淀。 這說明砌體燃燒的產(chǎn)物是甲烷，這與石墨是一樣的。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了砌體和石墨都是由碳組成的。 碳的中文名稱最早由拉瓦錫在1787年出版的《化學(xué)命名法》一書中使用，源于拉丁文，原意為“煤”。

那么為什么磚石和石墨看起來完全不同呢？ 為什么石墨是最軟的材料之一，而金剛石卻堅(jiān)硬到可以切割玻璃？ 這是由于碳原子在兩種物質(zhì)中的排列方式不同造成的。

3個(gè)

碳是生命之源

月球上的生命，從病毒、微生物到動(dòng)物、動(dòng)物，都是以碳為基礎(chǔ)的生命，而碳是生命最重要的構(gòu)成元素之一。 我們每天晚上吃的食物也主要由碳組成。 紅色動(dòng)物的光合作用將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)； 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被生物體利用獲取能量后，其中的碳轉(zhuǎn)化為氣體釋放出來。 這就是生物圈中的碳循環(huán)，是自然界碳循環(huán)的一部分。 一般來說，自然界中的碳循環(huán)過程大約每?jī)傻搅昃蜁?huì)促進(jìn)大氣中甲烷的完全更新。

現(xiàn)在當(dāng)我們談?wù)摐厥倚?yīng)和全球變暖時(shí)，我們認(rèn)為這都是由氣體引起的。 誠然，大氣中的氣體太多，導(dǎo)致地面上的熱量無法有效散逸。 但是大氣中的甲烷對(duì)生命的形成也起到了決定性的作用。 在生命演化過程中，氣體阻止熱量涌入地面，使月球具有適合生命存在的適宜溫度。 現(xiàn)在是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)影響了自然界的碳循環(huán)。 例如，以煤焦、石油為燃料燃燒，促使自然界中的碳凝固并釋放到大氣中，造成大氣中氧氣過多，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)。 可見與自然和諧相處的重要性。

4個(gè)

“碳”在身邊

自從人類開始使用煤焦以來，碳就進(jìn)入了人們的生活。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫匿摴P的鋼筆，都是用石墨粉和粘土一起烘烤而成的。 做的時(shí)候，石墨粉用多了，水筆會(huì)更軟，顏色更深； 如果用更多的粘土，水筆會(huì)更硬，顏色更淺。 我們買鋼筆的時(shí)候，都會(huì)在筆尖上看到“H”和“B”的標(biāo)記。 “H”表示H前面的數(shù)字越大，鋼筆越硬，越輕； “B”表示B前面的數(shù)字，筆越大越軟越黑。 我們考試用的2B鋼筆比較軟，比較黑，答案的字跡比較深，容易擦改。

在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾姵刂?，碳也是不可或缺的?通常干電池使用石墨棒作為負(fù)極。 我們今天在從手機(jī)到電動(dòng)汽車的所有產(chǎn)品中使用的電池通常都是鋰離子電池。 這些電池的電極材料是石油焦，其主要成分是碳，是由著名科學(xué)家吉野彰發(fā)明的。 石油焦是石油工業(yè)的副產(chǎn)品。 發(fā)現(xiàn)鋰離子可以有效地嵌入石油焦的碳中。 鋰離子電池商業(yè)化時(shí)代始于1991年，人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，這一點(diǎn)大家都已經(jīng)感受到了。 吉野彰因此獲得 2019 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

5個(gè)

從考古到復(fù)審

我們之前提到過放射性 C-14。 通常我們說到放射性的東西，我們覺得它很可怕，但實(shí)際上放射性是非常有用的。

例如，當(dāng)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)恐龍化石時(shí)，他們?nèi)绾沃揽铸埳钤谑裁茨甏? C-14 展示了它的才華。 恐龍死后，它的身體不再與環(huán)境進(jìn)行碳交換。 它體內(nèi)的少量放射性C-14會(huì)緩慢衰變減少，每5730年C-14的數(shù)量就會(huì)減少一半。 通過測(cè)量化石中含有多少C-14，人們可以知道恐龍存在的大概時(shí)間。 這是英國科學(xué)家利比的發(fā)現(xiàn)，他因此獲得了1960年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如果恐龍化石離我們太遠(yuǎn)，復(fù)查時(shí)碳14呼氣試驗(yàn)用的是C-14。 該測(cè)試用于檢測(cè)胃中的賁門螺桿菌。 這種真菌可引起多種腎癌，威脅人類健康。 在測(cè)試期間，我們必須服用富含 C-14 的小藥丸。 過一段時(shí)間，賁門螺桿菌就會(huì)把這里的C-14變成氣體，通過呼吸排出體外。 這樣，你檢查一下呼出的二氧化碳中的氧氣中有沒有C-14，就知道胃里有沒有這些真菌了。

6個(gè)

3個(gè)

新星

近年來，大家可能在不同的場(chǎng)合看到過“石墨烯”這個(gè)東西，看起來很神奇。 它也是一種由碳制成的物質(zhì)。 最初由石墨粘合而成。 這是美國科學(xué)家海姆和諾沃肖洛夫在2004年發(fā)現(xiàn)的，他們因此獲得了2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯最初存在于石墨上，1毫米厚的石墨含有約300萬層石墨烯。 當(dāng)我們用筆寫字時(shí)，在紙上留下的痕跡就是石墨烯，甚至可能只有一層。 石墨烯是由碳原子編織而成的網(wǎng)絡(luò)。 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一層，所以很?。?每個(gè)網(wǎng)格由六個(gè)碳原子攜手產(chǎn)生。 與黃色石墨不同，石墨烯幾乎是完全透明的； 它非常輕，每平方米的質(zhì)量?jī)H為 0.747 微克； 而且它非常結(jié)實(shí)，具有很好的柔韌性。 石墨烯是碳材料家族的新成員，科學(xué)家們正在為它尋找施展才華的舞臺(tái)。

碳，這個(gè)神奇的元素，因?yàn)橛辛怂?，我們才有了這個(gè)美麗的世界和我們自己。 碳還有很多神奇的地方等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

我是黃建國，明天見！

專家解答

Q：砌筑除了制作首飾還有其他實(shí)用價(jià)值嗎？ 磚石的價(jià)值是否被廣告商夸大了？

我們通常知道石工被用作珠寶，但石工有許多工業(yè)應(yīng)用。 例如，強(qiáng)度高，可用作磨削材料和切削工具，光學(xué)性能好，可用作光學(xué)器件等。 工業(yè)中使用的大部分磚石都是合成的。 用作首飾的天然砌石在自然界中很少見，但目前還沒有合成出珠寶級(jí)的砌石，人工合成的砌石太小做不成大，所以砌石的價(jià)值不能說是被廣告商抬高了。

一般來說，自然界中的磚石越純凈，質(zhì)量越好，但從另一個(gè)方面來說，如果磚石中的雜質(zhì)足夠均勻，磚石就會(huì)出現(xiàn)紅鉆、粉鉆等不同的顏色，價(jià)值也會(huì)很均勻更高。 太高是因?yàn)樘∮?，人工合成難度大。

問：“碳交易”是什么意思？ 它是如何交易的？

碳交易即溫室氣體二氧化碳排放權(quán)交易，因?yàn)闅怏w是《京都協(xié)定》中要求減少消耗的六種溫室氣體中最大的一種。 溫室氣體二氧化碳排放權(quán)交易以每千克氣體當(dāng)量為單位，甲烷排放權(quán)被視為商品。 《京都議定書》規(guī)定了各國的量化消耗指標(biāo)，即各國的排放量。 如果一個(gè)國家沒有足夠的排放權(quán)，可以從另一個(gè)國家訂購。 一個(gè)國家也有針對(duì)不同地區(qū)的排放法規(guī)。 同樣，排放權(quán)也可以在不同地區(qū)進(jìn)行交易。 一般來說，國際方面規(guī)定了全球碳排放總量，各方在此前提下通過交易重新分配排放權(quán)。

問：自然界中的碳循環(huán)過程促使大氣中的甲烷每?jī)傻搅晖耆乱淮巍?如果這個(gè)時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)我們?nèi)祟悤?huì)有什么影響嗎？

如果大氣中的甲烷濃度變化不大，這種更新時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)人類應(yīng)該影響不大； 雖然生物圈的碳循環(huán)只是自然界碳循環(huán)的一部分，但巖石圈也有碳循環(huán)。 目前的問題是，大氣中的氧氣濃度由于人類活動(dòng)而顯著增加，而且發(fā)生的時(shí)間相對(duì)于地質(zhì)年代而言非常短，這將影響自然界的碳循環(huán)，打破自然界原有的平衡。 這將導(dǎo)致溫室效應(yīng)和極端天氣變化，從而影響到人類。

重點(diǎn)

1、“碳”是一種固態(tài)的非金屬元素。 碳在元素周期表中的表示，它的符號(hào)是“C”，是第六元素，也就是說它的原子核中有6個(gè)質(zhì)子； 通常的碳原子核中有6個(gè)中子，用C-12表示。

2、吉野彰發(fā)現(xiàn)石油焦中的碳能有效吸附鋰離子，于是將石油焦制成鋰離子電池的電極。 鋰離子電池商業(yè)化時(shí)代始于1991年。

3、借助C-14的放射性特性，可用于考古（鑒定恐龍的年齡）和復(fù)檢（檢測(cè)胃內(nèi)是否有賁門鏈球菌）。

4. 石墨烯是由碳原子編織而成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)孔都是由六個(gè)碳原子連接而成。 它薄（只有一層）、輕（每平方米 0.747 微克）、堅(jiān)固且柔韌。

先前通知：

我們?nèi)粘Ｊ褂玫那鍧崉┐蠖鄟碜允秃褪鍧崉瑢?duì)人體和環(huán)境都是有害的。 如今，一種生物清洗劑出現(xiàn)在了大眾視野中。 動(dòng)物、動(dòng)物和微生物產(chǎn)生的清潔劑根本沒有清潔力。 不遜色于石化清洗劑，但更安全、更環(huán)保。 下一期，我們將和復(fù)旦院長(zhǎng)孟勤一起了解有益于人類健康和環(huán)境的生物清洗劑。

多謝

民津湖南圖書館總分館

民進(jìn)安徽大學(xué)玉泉市團(tuán)委

民進(jìn)安徽縣委科普隊(duì)

研磨 | 秋成張琪

一審 | 胡海容山花秋成

發(fā)行 | 儲(chǔ)樹清

明明可以用它的美味征服世界！

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