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碳的介绍：
碳是化学符号为C的非金属元素。它是宇宙中第四大最丰富的元素，也是地壳中第15个最丰富的元素。它也是人类中仅次于氧气的第二丰富的元素。它的化学组成导致碳具有几种独特的特性。
碳属于元素周期表的第14组。它的原子序数为6，原子量为12.011。碳的氧化态可以从-4到+4不等，其中+4存在于诸如甲烷和二硫化碳之类的化合物中，而+2存在于一氧化碳中。
不同碳同素异形体的物理性质使其可用于电池，电子产品和纳米材料。碳还是“元素之王”，迄今为止已形成近一千万种化合物，包括有机，无机和有机金属化合物。
碳的同位素被广泛用于放射性碳年代测定（碳14），分子结构和医学研究（碳13）。另外，碳纤维显示出优异的机械性能，并且在航空航天和土木工程中很流行。

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碳同素异形体
碳具有不同的同素异形形式，具有各种分子构型和原子结构。碳的物理性质随同素异形体的不同而有很大差异。碳的一些最著名的同素异形体包括石墨，金刚石和富勒烯。
石墨是已知的最软的材料之一，用于铅笔和固体润滑剂。它也是良好的电导体，使其可用于电池和太阳能电池板。
石墨烯只是排列在蜂窝晶格中的一层石墨原子层。在石墨烯层中，每个碳原子与其他三个原子共价键合，从而使第四个电子自由在平面中迁移，因此具有导电性。
相反，钻石是最难自然产生的物质，并且是碳的独特属性之一。它的密度几乎是石墨的两倍，每个碳原子四面体键合到另外四个碳原子上，没有自由流动的电子。因此，钻石是不良的电导体。与不透明的石墨不同，钻石的外观也很清晰。
科学家还合成了碳的其他同素异形体，例如富勒烯，碳纳米泡沫等。它们具有特殊的性能，构成了纳米材料研究的新兴领域。富勒烯是封闭的笼子（布基球）或圆柱体（碳纳米管）构象中的一组空心碳分子。

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Harold Kroto爵士，Richard Smalley和Robert Curl Jr.爵士发现了C60布基球，它使用激光在氦气中蒸发石墨棒。 碳原子通过单键和双键连接在一起，形成足球形状的12个五边形和20个六边形面。 他们的开拓性努力使他们获得了1996年的诺贝尔奖。
Iijima Sumio确定了碳纳米管是布基球的细长形式。 它们是热和电的极佳导体，可用于电子产品。
碳纳米管还显示出令人印象深刻的拉伸强度，并在结构材料和药物中具有令人兴奋的应用。 然而，这种纳米材料的受控合成对科学家提出了巨大的挑战。

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碳的化学反应性
碳构成地球生命的基础，数百万种含碳化合物构成了所有生物的18％。它可以与其他原子形成稳定的共价键，并显示为长链或强互连的碳-碳键环。这些导致地球上存在的碳化合物的多样性和复杂性。
这些碳化合物包括在活生物体细胞中发现的有机分子，例如蛋白质，碳水化合物和DNA，以及无机化合物，例如碳氧化物。有机分子的研究构成了一个称为有机化学的专业领域。碳还可以与金属作为有机金属化合物形成共价键。血红蛋白的氧结合位点即卟啉铁就是这样的例子。
尽管自然界中碳丰富，但在正常条件下碳相对没有反应性。在标准温度下，它对酸（硫酸或盐酸）或碱不起作用。在此温度下对氧化也稳定。但是，在更高的温度下，碳可以与氧气反应形成碳氧化物（CO2和CO），与硫气形成二硫化碳，与硅反应形成碳化物。

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碳同位素
有15种已知的碳同位素，其中12个碳（占天然碳的98.93％）和13个碳（1.07％）是两个稳定的同位素。 Carbon-14是寿命最长的同位素，半衰期为5,730年。寿命最短的碳同位素是Carbon-8，半衰期为1.98739 x 10-21秒。
同位素碳14用146C表示，其中上标14是原子质量，下标6是原子序数。 Carbon-14的自然丰度非常低（0.0000000001％），但其半衰期长，因此可用于辐射测年。
当氮14与宇宙射线中的中子反应时，就会形成碳14，并在此过程中释放出质子。碳14然后与氧气反应生成14CO2，它与12CO2均匀地分布在大气中。

¹⁴₇N + ¹₀n -------------> ¹⁴₆C + ¹₁p
当生物通过光合作用将二氧化碳（来自大气的14CO2和12CO2）转化为有机化合物并将其通过呼吸释放回大气中时，就开始了碳循环。在这种平衡中，生物体中存在14CO2和12CO2的固定比率。但是，当它们死亡时，平衡会停止，并且碳14根据其5,730年的半衰期经历β衰变成氮14的过程。
146C -------------> 147N + 0-1e
因此，通过测量死样品中碳14的相对比例，可以计算出其死亡后经过的时间。这种放射性碳定年方法已广泛用于对500至50,000年历史的化石和考古标本进行定年。
碳13是在许多应用中广泛使用的另一种同位素。例如，它用于核磁共振（NMR）中以确定有机化合物的分子结构。它也可与质谱仪结合用作医学研究的标记工具。

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碳纤维的机械性能
碳除了具有物理，化学和核性质外，还表现出有用的机械性质。
它可以与钢形成碳钢合金，碳含量从0.05到2％（重量）不等。中碳钢（碳含量为0.3-0.6％）具有平衡的强度和延展性，以及出色的拉伸强度。通过热处理过程，超高碳钢（碳含量为1.25-2％）可以回火到很高的硬度，并用于制造刀具。
碳纤维为5至10μm厚的纤维，主要由碳原子组成，具有高刚度，抗张强度，耐化学性，耐温性，低重量和热膨胀性。钢的屈服强度取决于其牌号，低碳钢的屈服强度为247 MPa。碳纤维的抗张强度范围为1,600 MPa至6,370 MPa，因此在航空航天，土木工程和体育领域非常流行。
当应力作用在材料上时，它首先会发生弹性变形。在此阶段，应力消除后可以恢复到其原始形状。屈服强度定义为材料在没有永久变形的情况下可以承受的应力。
当其达到无法再恢复其原始尺寸的点（上屈服点）时，它会发生塑性变形，这是永久性且不可逆的。拉伸强度是材料在不破裂或断裂的情况下可以承受的最大强度。

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