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当前位置:第一节 碳族元素
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/26 22:23:06阅读：nyq
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碳的发现简史
碳可以说是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触。由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭，动物被烧死以后，便会剩下骨碳，人类在学会了怎样引火以后，碳就成为人类永久的“伙伴”了，所以碳是古代就已经知道的元素。发现碳的精确日期是不可能查清楚的，但从拉瓦锡（Lavoisier A.L. ，1743－1794）1789年编制的《元素表》中可以看出，碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用。根据这种理论，碳不是一种元素，而是一种纯粹的燃素。由于研究煤其它化学物质的燃烧，拉瓦锡首先指出碳是一种元素。
碳在自然界中存在有三种同素异形体：金刚石、石墨、C60。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了二氧化碳，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家克劳特（Kroto H. W. ）等人发现的。它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是继金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。
碳元素的拉丁文名称Carbonium 来自Carbon一词，就是“煤”的意思，它首次出现在1787年与拉瓦锡等人编著的《化学命名法》一书中。碳的英文名称是Carbon，元素符号为C。
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关于二氧化碳
“温室效应”是近年来的热门话题，在媒体的报道中可以说是谈之色变。在法律意义上被确认为影响气候变化的温室气体油二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫（虽然水蒸气也是形成温室效应的主要物质，而且其浓度仅次于二氧化碳，但是由于其在大气中浓度变化不大，因此人们一般并不将其列为温室气体）。由于非二氧化碳温室气体的浓度致暖与二氧化碳有着固定的函数关系，因而人们在制定《气候变化框架公约》（联合国，1992年）及《气候变化框架公约京都议定书》（联合国，1997年）时就将非二氧化碳的温室气体排放量折算成二氧化碳排放当量，以实现所有温室气体排放量之间的可加性。这样，关于温室气体的减排问题，温室气体排放权问题也可以形式化地归结为二氧化碳排放权问题。
据美国一项环境跟踪调查发现，生活在风景区与污染区的居民其体内血液有毒物质含量相差无几，因为人每天约80％～90％的时间是在室内度过的，室内环境污染给人们带来的影响甚至要大于室外。这引起了人们对室内空气质量的重视。
在新鲜空气中二氧化碳的浓度，乡村约为0.03％，城市约为0.04％。而实验研究表明：当二氧化碳含量达0.07％时，有少数对气体敏感的人就感觉有不良气味和不适感；达到0.1％时，空气中氨类化合物明显增加，人们普遍有不适感；达3％时，肺的呼吸量虽然正常，但呼吸深度增加；达4％时，头痛、耳鸣、脉搏滞缓、血压上升；达8％～10％时，呼吸明显困难，意识陷入不清，以致呼吸停止；达30％时，致死。
虽然较高的室内二氧化碳会对人体健康产生危害，但通常情况下人们更多的是把其作为空气污染“指示剂”看待。在室内人数一定时，室内二氧化碳浓度可以反映室内通风情况，从而可以粗略估计室内气体有害物质的污染程度。我们知道，一个16～19岁的少年男子每天约需2800千卡的能量，即其在每天需要0.768kg氧气的同时，排出1.056kg二氧化碳。如果是在一个没有气体交换的封闭体系中，则其一小时所需的空气量为15立方米。假如有一个容纳50名学生的教室则其每小时需要置换的空气不应低于4次。因此，我们一定要重视家庭居室、学校教室、写字楼办公室等公众较为集中地方二氧化碳的污染。
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浅说珠宝
珠宝是珍珠与宝石的总称。
珍珠是砂粒微生物进入贝蚌壳内受刺激分泌的珍珠质逐渐形成的具有光泽的美丽小圆体，化学成分是碳酸钙及少量有机物，除作饰物外，还有药用价值。
一般来说，凡硬度在7度以上，色泽美丽，受大气及药品作用不起化学变化，产量稀少，极为宝贵的矿物统称为宝石。性优者如：金刚石、钢玉、绿柱玉、贵石榴石、电气石、贵蛋白石等；质稍劣者如：水晶、玉髓、玛瑙、碧玉、孔雀石、琥珀、石榴石、蛋白石等。
现择其部分浅谈如下：
金刚石: 亦名金刚，俗称金刚钻、钻石或水钻，成分为C,是碳元素的一种同素异形体，常为无色透明，硬度为10，是矿物中最硬的。人工制造的又叫人造金刚石。
刚玉：透明晶体，硬度为9，仅次于金刚石，主要成分为Al2O3，有无色、红色、蓝色、星彩的。无色透明的也叫白玉；含Ti( IV )或Fe( II )、Fe( III )呈蓝色的叫青玉，也叫蓝宝石；含Cr( III )呈红色的叫红玉，也叫红宝石；面现星彩的又叫星彩宝石。
绿柱石： 亦称绿玉、绿宝石，透明至半透明晶体，硬度为7，多为翠绿、淡绿、亦有无色或蓝、黄、白、粉红色者，主要成分为3BeO ·Al2O3·6SiO2。其中，含CrO3呈翠绿者叫绿柱玉，又叫翠玉或祖母绿；含铁呈透明蓝色的叫海蓝宝石；含铯呈玫瑰色者叫玫魂绿柱石。
黄玉：亦名黄晶，外形类似水晶，常为黄色，透明，硬度为8，主要化学 成分为Al2[SiO4](F,OH)2。
硬玉：与软玉通称为玉，成分为NaAl(SiO3)2,结晶或致密块状,有浓绿、淡绿或白色,绿色者常名翡翠，略透明，硬度为6.5～7,较软玉难溶解。软玉的成分为Ca(Mg,Fe)3(SiO3)4，硬度为5.5～6。
石榴石： 是一荧硅酸盐，成分不定，有以下式子:3RO·R2¢O3·3SO2，其中R代表钙、镁、铁或锰，又代表铝、铁、铬或钴，硬度为6.5～7.5，透明至微透明，时或光性异常，呈双折射现象，色译一般美丽。组成为Fe3Al2Si3O12者名为贵石榴石，常为血红或粉红，外观略带黑色。
蛋白石： 含水二氧化硅，硬度逊于石英，表面常呈葡萄状，有白灰、黄褐等色，光泽似脂肪或珍珠，不透明至微透明。若为美丽乳房状，常呈红或绿色，光泽强，剖面能显各种美色之反光者，常称为贵蛋白石。
水晶：六方柱状纯石英晶体，无色透明，折射率大，其含有机构而显烟陶色者叫烟水晶（俗名茶晶），显黑者为黑烟水晶（俗名墨晶）。含氮的有机物呈褐色或黄色者叫褐石英或黄水晶。含锰而色紫者叫紫水晶。
玉髓：透明或半透明，成分为SiO2，硬度为7。有肉红、淡红、浓绿、血红等，不透明者即为玛瑙。
碧玉：是由硅质物质沉积而成，化学成分为SiO2，并含Fe2O3，因含有铁质，故常呈各种颜色。其浓绿者极似浓绿玉髓，质致密不透明，
琥珀：是由C、H、O组成的有机物，也含有Al、Mg、Fe、Mn等微量元素。琥珀有各种不同的外形，如肾状、结核状、瘤状、圆盘状。唬珀很软, 其硬度为2-2.5，也比较轻, 相对比重为1.05-1.09，树脂光泽，透明至半透明。琥珀的颜色也多种多样，常见金黄、黄至褐色、浅红、橙红、黑色等，蓝、浅绿、淡紫色少见。琥珀加热至150℃变软，开始分解，在250℃时就会熔融，产生白色蒸汽，并发出一种松香味。 最丰富也最有意义的是琥珀内部的包裹体，有植物包体，如伞形松、种子、果实、树叶；也有动物包体，如甲虫、苍蝇、蚊子、蚂蚁、蚂蜂等。有气液两相包体，如圆形、椭圆形的气泡和液体；有旋涡纹，多分布在昆虫包体的周围，这是昆虫挣扎时留下的痕迹；还有许多的杂质，如泥土、沙砾和碎屑。这些丰富的包裹体不仅构成了美丽的图案，也为科学地研究当时环境提供了最直接的证据。目前，科学家们已成功地从琥珀所含的化石中提取出一些生物的遗传密码DNA，这对生物演化的研究产生了巨大的影响。美国科幻影片《侏罗纪公园》的故事就讲述了科学家在琥珀中包裹着的一只吸了恐龙的血的蚊子中提取了DNA，然后利用遗传工程繁殖出恐龙，最后恐龙成灾.....。
孔雀石： 成分为 Cu2(OH)2CO3，由含铜矿物受碳酸及水的作用而形成，光泽似金刚石，色翠绿，间有呈孔雀尾之彩纹。
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硅的用途
1．高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第ⅢA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第ⅤA族元素，形成N型硅半导体；将N型和p型半导体结合在乙炔，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。硅在开发能源方面是一种很有前途的材料。
2．硅是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属－陶瓷复合材料，这种材料耐高温、富韧性、可以切割，既继承了金属、陶瓷各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。第一架航天飞机“哥伦比亚号”之所以能抵挡住高速穿行于稠密大气时摩擦产生的高温，全靠它那31000块硅瓦砌成的外壳。
3．用于光导纤维通信。光纤通信是最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次地全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话。它还不受电磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。
4．性能优异的硅有机化合物。有机硅塑料是极好的防水涂布材料，在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑表面，由于经过有机硅塑料处理，因此永远洁白、清新。
硅橡胶具有良好的绝缘性能，长期不龟裂、不老化，没有毒性，还可以作为医用高分子材料。
硅油是一种很好的润滑剂。由于它的粘度受温度变化的影响小，流动性好，蒸气压低，因而在高温或寒冷的环境中都能使用。
硅元素进入有机世界，将它优异的无机性质揉进有机物里，使有机硅化合物别具一格，开辟了新的领域。
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纳米科技
最近一个时期以来，对纳米科技概念的片面认识以及伪纳米产品的出现，使得有些人对纳米科技本身产生某些误解。针对纳米科技发展过程中出现的这种现象提醒从事纳米科技的科技工作者和企业界人士，应该对当前的纳米"热"有清醒的认识，尤其需要对纳米科技的内涵和纳米科技的发展趋势作进一步的思考，防止一些概念上的谬误和炒作损害这一新兴的前沿科技在我国的健康发展。
一、纳米科技的真正内涵
目前社会对纳米科技认识上的偏差，主要表现在对纳米科技内涵的理解上比较模糊，不少认识都只从纳米科技的一个方面，甚至一个次要的方面来理解纳米科技，缺乏全面和系统的认识。
1．纳米科技不仅仅是纳米材料的问题
目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度（1～100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。
纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。这些新名词所体现的研究内容亦有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。
现在国内公众对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，其实这是不全面的。主要原因是过去国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳术粉体材料的生产。而有关对社会生活和生产方式将产生深刻而广泛影响的纳米器件的研究，国内研究开发力量严重不足。国外在此方面的研究虽然主要还处在应用基础研究的阶段，但目前已申请了大量的专利，不断抢占战略制高点。我们必须要重视纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征的研究工作。如果现在不在这方面加强部署，给予重点支持，将会使我国在这一前沿领域的国际竞争，处于十分被动的局面。
2．纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸
纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。纳米科技研究的技术路线可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化，而“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。
“自下而上”的制作方式是纳米科技概念最早提出时的核心内涵。长期以来人们对任何希望得到的纳米结构材料（包括控制固态生成物的尺寸、形状、性质），还是习惯于从微电子的角度出发，通过"自上而下"的方式提高加工精度。预计到2010年，通过目前微加工方式在硅集成电路上的线条宽度和CMOS电路的设计原理将达到极限。要跨越量子效应障碍，必须考虑采用其他的方式使工业生产适应新的设计原理和纳术尺度的精度标准。因此，"自下而上"的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将愈来愈受到重视。
在这种制作方式中，最为重要的研究方向是实现分子器件自组装。分子自组装就是在平衡条件下，分子自发组合而成为一种稳定的、结构确定的、以共价键和非共价键联结的聚集体。分子自组装在生命系统中普遍存在，而且是各种复杂生物结构形成的基础。现在科学家借助计算机模拟，并利用化学和生物技术，己成功地设计和制造出一些具有特定形状和性质的分子装置。因此，纳米科技并不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸。在目前，我们应在鼓励两种技术路线结合的同时，注重“自下而上”方法的探索。
3．纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题
有些人，认为纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳术量级即可。这种认识是比较片面的，纳米科技的重要意义主要体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质，或对原有性质有十分显著的改进和提高。导致纳米材料产生奇异性能的主要限域效应有比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等。这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。
自由地操纵单个原子或分子
左图是一个铁原子（Fe）与一人一氧化碳分子（CO）结合形成一个铁羰基（FeCO）分子的过程。先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子（Fe）并将它移走，然后将CO放到Fe上面，两者结合形成FeCO分子。中图是用显微拍摄的该过程的照片，其中图C，图D显示的是继续利用一个CO和FeCO结合成Fe（CO）2分子的过程。用这种方法还可以用原子组成各种图形，如右图。
因此，判断纳米材料，不仅仅是看是否颗粒在纳米量级，而重要的是要检测它在这一尺寸下，是否发生了性能的改变或原有性能显著的提高。由此可见，纳米材料的颗粒尺寸也应该均匀分布。如果颗粒尺寸分布的范围很广，甚至只有少部分颗粒尺寸在纳米级，材料整体性质就不会有显著变化。
纳米存储器和DNA开关
左图为纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。右图是利用DNA自我组合原理进行设计的DNA开关，利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快
4．重视纳米尺度的表征和检测研究
在当前纳米科技概念中，似乎忽视了纳米尺度的表征和检测。但是，这项工作是纳米科技研究和发展、理论和实验的重要基础。纳米尺度是如此之小，没有重要的工具和系统的表征、检测，纳米科技研究只能是一句空话，伪纳米产品也会乘虚而入。
20世纪80年代初出现的纳米科技研究的重要手段-----扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。参与美国纳米科技规划的有关科学家把STM、AFM等扫描探针显微镜（SPM）形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。
所谓"眼睛"，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性，表征纳米器件。所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、分子，构造纳米结构，在纳米尺度研究它们之间的相互作用，为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室，为微型器件的构筑提供了研究手段。除SPM外，我们应该重视开发其他实时、在线检测和表征技术，为纳米科技的研究提供必不可少的手段。
二、纳米科技时代何时来临？
纳米科技时代应是纳米技术产生像当今信息技术那样对人类生活和生产方式产生广泛而深刻影响的时代。因此我们说，纳米器件的研制水平和应用程度是人类进入纳米利技时代重要的标志。纳米技术现在的发展水平只相当于计算机和信息技术在20世纪50年代的发展水平。人们研究基本的纳米尺度现象的工具和对这些现象的理解水平还只是初步的。要想实现纳米技术的目标，尚有很多基础科学问题需要解答，包括对分子自组装的理解、如何构筑纳米器件、复杂的纳米结构系统是如何运作的等等。只有在物理、化学、材料科学、电子工程学以及其他学科的很多方面得到充分的发展情况下，才能真正地形成一项具体的纳米技术。前不久，美国《科学》杂志引用一位科学家的话，认为现在还没有一项真正成熟的纳米技术就是基于这种对纳米技术真正内涵的理解。
尽管我们离纳米科技时代的来临还有一段路要走，但不能武断地认为纳米科技不同方面和不同阶段的所有成果，还都是停留在实验室阶段，也不能说当今时代就没有纳米科技的产品，所谓纳米技术产品部是商业炒作或者欺诈行为。
据国外资料统计，2000年全球仅纳米材料市场容量就达750亿美元，如包括部分采用纳米技术的与电子元器件相关的产品，纳米技术市场可达3750亿美元。这包括磁性信息存储领域内巨磁阻现象的应用。在基本的巨磁阻现象发现的10年内，这项技术已完全替代了在1998年拥有340亿美元市场的旧磁盘存储技术。德国科技部预期到2010年，纳米技术市场将达到14400亿羌元。企业为开拓巨大的潜在市场，正加强技术储备，努力占领战略制高点。由于目前的纳米科技，尤其是纳术材料在改造传统产业方面所表现的投入少、见效快、市场前景广阔等特点，在以传统产业为主的我国企业内比较容易推广，因此，纳米材料的应用已得到我国企业界的热情响应，为纳米科技在中国发展奠定了重要的动力基础。
C60分子和碳纳米管
（碳纳术管是在用电弧滚制备C60分子（上图）时发现的，是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的一种一维纳米材料。这种中空的"微管"的电学性质非常奇特，而且强度比钢高100倍。我国科学家已经在国际上首次制成了长度达3毫米的碳纳米管）
美国一家公司预测纳米技术发展将经历五个阶段：
● 第一阶段是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构材料。这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂设备、超精密电子装置。这一阶段的市场规模约为5亿美元。
● 第二阶段是生产纳米结构材料。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿～200亿美元之间。
● 第三阶段，大量制造复杂的纳米结构材料将成为可能。这要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。本阶段的市场规模将达到100亿～1000亿美元。
● 第四阶段，纳米计算机将得以实现。这一阶段的市场规模将达到2000亿～1万亿美元。
● 第五阶段，将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
该公司预期在2010年之前，纳米技术有可能发展到第三阶段，超越量子效应障碍"的技术将达到实用化水平。
纳米科技对于人类生产和生活方式产生重大的影响，对促进传统产业的改造和升级意义重大。并且纳米科技将有可能引发下一场工业革命，成为21世纪经济的新增长点。纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。
为此，我们应该避免产生对纳米科技的一些认识误区，杜绝炒作，抓住机遇，坚持"有所为，有所不为"的方针，发挥优势，突出特色。要加强纳米科技研究基地的建设，改善基础设施条件，增加纳米科技的专项投入，同时要十分重视知识产权的保护。纳米材料是纳米科技的基础，我国已有相当的基础。这方面的布局应更注重与产业化的结合，尤其是与传统产业结合，积极吸纳企业的参与和投入；纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，与信息产业及社会、经济、国防的关联度最大，需要的投入也最大。而我国在这方面投入最少、基础薄弱，应积极组织力量，以明确的应用目的为目标，但在近20年内还是以基础研究和应用基础研究为主；纳米区域性质的探测、表征是纳米材料和纳米器件研究与发展的实验基础和必要条件，应在重视基础和应用研究的同时，兼顾与产业化的结合。
企业对纳米科技的高度关注的现象说明纳米科技在响应市场需求方面，己经开始崭露头角。推动科技成果产业化的主体是企业，应该积极鼓励企业参与纳米科技的发展。使企业界对纳米科技持续关注的根本所在是：一是要以国家目标与市场需求相结合，加强基础研究和应用研究，促使纳米科技的成果能够源源不断地涌现，二是要重视和加强纳米科技市场的培育，对纳米技术产品的技术标准制定工作给予高度重视。目前纳米技术产品在社会上出现的混乱状况，核心问题是没有技术标准，在这方面，国家有关部门应给予充分的重视。