发现历史

碳的英文名称carbon来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo，也来源于法语中的charbon，意思是木炭3。在德国、荷兰和丹麦，碳的名字分别是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物质。

碳在史前就已被发现，炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知，同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样：通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。在1722年，René Antoine Ferchault de Réaumur证明铁通过吸收一些物质能变成钢，这种物质就是熟知的碳。在1772年，安东尼·拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式，当他将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。在1779年，卡尔·威廉·舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物，并且他给了当用硝酸氧化时，产物的名字空气中的酸（"aerial acid"），即二氧化碳4。在1786年，法国化学家Claude Louis Berthollet，Gaspard Monge和C. A. Vandermonde通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中4。

存在分布

矿藏形式

碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大，但典型的数值可取180ppm；按丰度顺序，这个元素位于第17位，在钡、锶、硫之后，锆、钒、氯、铬之前5。石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩；晶体大小从不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%（马尔加什）。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨（有时称为“无定形体”）存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳5。

金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩（火山筒），它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒6。随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因5。

三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业：它们是焦炭、炭黑和活性炭5。

自然界中的循环

在地面条件下，一种元素从一处到另一处是很罕见的。因此，地球上的碳含量是一个有效常数。碳在自然界中的流动构成了碳循环。例如，植物从环境中吸收二氧化碳用来储存生物质能，如碳呼吸和卡尔文循环（一种碳固定的过程）。一些生物质能通过捕食而转移，而一些碳以二氧化碳的形式被动物呼出。碳循环的结构要比右图的模式图复杂得多。例如，一些二氧化碳会溶解在海洋中，死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气，这些可以通过燃烧释放碳，而细菌不能利用得到。

恒星中的形成

碳原子核的形成需要α粒子（氦核）在巨核或超巨星中发生几乎同时的三重碰撞，这个过程称为三氦过程。这种核融合反应可以在超过一亿度K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的，他发生在较老年，经由质子-质子链反应和碳氮氧循环产生的氦，累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后，核心将塌缩，直到温度达到氦燃烧的燃点。反应的过程是：

4He+4He→8Be （−93.7 keV）

8Be+4He→12C （+7.367 MeV）

反应过程的净能量释放为1.166pJ。

另一个为恒星供能的融合机制是CNO循环（碳-氮-氧循环，有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环，是恒星将氢转换成氦的两种过程之一，另一种过程是质子-质子链反应），其中碳作为催化剂使得反应能够进行。

物理性质

同位素

现代已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达5730年，其他的为稳定同位素。 在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。碳14由于具有较长的半衰期，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。