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第六號元素:how carbon shapes our world 版權信息
- ISBN：9787521767162
- 條形碼：9787521767162 ; 978-7-5217-6716-2
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
第六號元素:how carbon shapes our world 本書特色
*榮獲《選擇》雜志（Choice）2024年度杰出學術著作獎
*中科院國家天文臺研究員、中國科學院大學教授 茍利軍 傾情贊譽；啟迪之星常務副總經理、清華大學化學系博士 鄭慶偉，北京市地勘院高級工程師、科普作家 馬志飛 作序推薦
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這是一部簡潔、深刻、震撼、宏大的碳元素全景式科普著作。
它涉及化學、宇宙學、天體生物學、天文學、生態學等多個領域，涵蓋材料科學、能源科學、環境科學、生命科學的前沿技術。
兩位作者以宇宙學的宏大視角，帶我們重新認識碳這種無處不在的元素。
碳——宇宙與生命的基石，從恒星熔爐到地球生命的化學密碼，歷經演化長河中的重大變遷；
碳——從遠古生物到現代人類，塑造你我日常生活的無名英雄，構造生命離不開的關鍵物質；
碳——現代科技得以實現的根本，解決碳中和、碳排放、氣候變化等社會熱點問題的關鍵所在。
#我們真的了解塑造世界的碳嗎？它悄然融入我們的生活，出現在任何你能想到和想不到的地方。中學化學課學到的，只是滄海一粟；關于碳的科學，我們近乎一無所知。
#碳從哪里來？如何塑造了并繼續塑造著我們生活的世界？
從基礎概念到前沿研究，打開這本書，碳化學的奇幻畫卷在我們眼前徐徐展開。
第六號元素:how carbon shapes our world 內容簡介
元素周期表中的第六號元素是什么？
氫氦鋰鈹硼……是碳。
沒錯，提到碳，你會先想到什么？
是煤炭、石油這些現代人類社會賴以維系的能量來源——化石燃料，還是碳納米管、富勒烯這些經常出現在科技新聞里的新詞？又或者，你可能會首先想到碳中和、碳排放、碳捕集、碳封存、溫室效應？
碳無處不在。它是地球生命的基石，更為人類社會奠定了基礎。從過去到現在，再到遙遠的未來，各種形式的碳對地球、生命、人類有著無可匹敵的深遠影響。
不過，你可能沒有意識到這一點：盡管碳在太陽這樣的恒星中含量豐富，但平均到整個地球來看，碳實際上是一種稀有元素。我們生活在一個富含碳的環境中，而這個環境位于一個貧碳行星的表面！這是如何發生的？
元素周期表中的第六號元素是什么？
氫氦鋰鈹硼……是碳。
沒錯，提到碳，你會先想到什么？
是煤炭、石油這些現代人類社會賴以維系的能量來源——化石燃料，還是碳納米管、富勒烯這些經常出現在科技新聞里的新詞？又或者，你可能會首先想到碳中和、碳排放、碳捕集、碳封存、溫室效應？
碳無處不在。它是地球生命的基石，更為人類社會奠定了基礎。從過去到現在，再到遙遠的未來，各種形式的碳對地球、生命、人類有著無可匹敵的深遠影響。
不過，你可能沒有意識到這一點：盡管碳在太陽這樣的恒星中含量豐富，但平均到整個地球來看，碳實際上是一種稀有元素。我們生活在一個富含碳的環境中，而這個環境位于一個貧碳行星的表面！這是如何發生的？
天文學家西奧多·斯諾和唐·布朗利帶我們踏上了一段跨學科的探索旅程，以宇宙學的宏大視角，回顧碳從宇宙誕生到地球演化、從生命起源到人類文明的非凡旅程。
讀完這本書，你將明白，奇妙的碳元素如何在*宏大的意義上真正塑造了我們的世界。
第六號元素:how carbon shapes our world 目錄
推薦序1 III
推薦序2 IX
引 言 XIII
第1章 碳的發現、起源和擴散 001
第2章 碳的化學：為什么它如此特殊？ 027
第3章 地球和太陽系中的碳 047
第4章 碳與地球和其他地方的生命 067
第5章 銀河系中的碳 105
第6章 碳有什么用處？ 127
第7章 鉆石 161
第8章 大氣、氣候和宜居性 187
第9章 碳的出處 209
結語 碳：從開始到無限 219
注釋 227
參考文獻 235
展開全部
第六號元素:how carbon shapes our world 節選
引 言
?在充滿奇跡的宇宙中，碳確實是一種奇妙的元素。碳可以很硬，也可以很軟；它可以是烏黑的，也可以比水晶更清澈。它是在熾熱的恒星內部煉就的。當它以純凈的鉆石形式存在時，你摸上去會感覺冷，但實際上它是*好的熱導體。碳燃燒時會產生熱量，正是這種熱量使人類數千年來得以取暖，并為工業革命提供動力。我們一生中會吃掉大量的碳，而由這種化學元素組成的物質形態猶如一把“瑞士軍刀”，其獨特的化學功能構成了我們生命的實質性支柱。正如喬尼·米切爾在她的歌曲《伍德斯托克》中所唱的那樣：“我們是幾十億年前碳的……星塵。”
?本書只介紹一種天然存在的化學元素。碳被認為是第六號元素，因為它的原子核中有6個質子，核外則有6個電子來平衡質子的正電荷。要說在太陽中的豐度，碳是僅次于氫、氦和氧的第四豐富的元素。奇怪的是，盡管碳在恒星中含量很高，但它在我們這顆行星的內部相對罕見。我們能在地表附近看到很多碳，但從整個星球的平均水平來看，實際上碳是一種稀有元素。我們生活在一個貧碳星球表面的富碳環境中。我們將在第3章中解釋這是如何發生的，以及為什么我們與太陽系外的許多天體不同。
?在本書中，我們還將討論碳是如何被發現的，了解這種重要元素如何極大地促進我們對自然的科學理解。我們將看到這種元素是如何在恒星中形成的，碳原子是如何在地球上形成的，以及為什么它可以形成如此多的化合物，而這些化合物正是我們生存的關鍵。我們將探討第六號元素對人類歷史的一些影響、它的許多重要用途，以及它在我們星球的過去和未來中所起的作用。
?像其他比氫重的元素一樣，碳原子只有一個微小的核。這個核由質子和中子組成，它們的質量相對于圍繞著核的電子要大得多。然而，與所有其他元素不同的是，碳原子能夠與其他原子結合，形成具有非凡化學性質和物理性質的物質。就碳原子與其他原子結合這一點而言，碳可以制造出種類幾乎無限的化合物，包括一些非常復雜的化合物。正是這些非常復雜的化合物讓生命得以出現，然后經過地質時期的演化，產生我們所知的活的生物體。
?碳可能只是近百種自然存在的元素之一，卻從所有其他元素中脫穎而出。作為單質，它能夠以各種不同的固體形態存在，如炭黑、石墨、鉆石、富勒烯、納米管和只有一個原子厚度的碳晶格。當碳與其他元素結合時，可以形成幾乎無限多種化合物。這些化合物是如此重要，以至于它們有自己的學科類別名稱，叫作“有機化學”。
?碳單質有幾種已知的天然形式，而非天然的形式至少有一種。*簡單的碳單質形式就是只有一個原子，但這種形式的碳在地球上是無法找到的，因為碳原子總是附著在所有東西上并形成分子。只有在與世隔絕的星際空間中，才能發現單個碳原子。比單個碳原子復雜的是碳鏈，也就是碳原子排成一行形成的單鏈， 它們的自然狀態也只能存在于星際空間。
引 言
?在充滿奇跡的宇宙中，碳確實是一種奇妙的元素。碳可以很硬，也可以很軟；它可以是烏黑的，也可以比水晶更清澈。它是在熾熱的恒星內部煉就的。當它以純凈的鉆石形式存在時，你摸上去會感覺冷，但實際上它是*好的熱導體。碳燃燒時會產生熱量，正是這種熱量使人類數千年來得以取暖，并為工業革命提供動力。我們一生中會吃掉大量的碳，而由這種化學元素組成的物質形態猶如一把“瑞士軍刀”，其獨特的化學功能構成了我們生命的實質性支柱。正如喬尼·米切爾在她的歌曲《伍德斯托克》中所唱的那樣：“我們是幾十億年前碳的……星塵。”
?本書只介紹一種天然存在的化學元素。碳被認為是第六號元素，因為它的原子核中有6個質子，核外則有6個電子來平衡質子的正電荷。要說在太陽中的豐度，碳是僅次于氫、氦和氧的第四豐富的元素。奇怪的是，盡管碳在恒星中含量很高，但它在我們這顆行星的內部相對罕見。我們能在地表附近看到很多碳，但從整個星球的平均水平來看，實際上碳是一種稀有元素。我們生活在一個貧碳星球表面的富碳環境中。我們將在第3章中解釋這是如何發生的，以及為什么我們與太陽系外的許多天體不同。
?在本書中，我們還將討論碳是如何被發現的，了解這種重要元素如何極大地促進我們對自然的科學理解。我們將看到這種元素是如何在恒星中形成的，碳原子是如何在地球上形成的，以及為什么它可以形成如此多的化合物，而這些化合物正是我們生存的關鍵。我們將探討第六號元素對人類歷史的一些影響、它的許多重要用途，以及它在我們星球的過去和未來中所起的作用。
?像其他比氫重的元素一樣，碳原子只有一個微小的核。這個核由質子和中子組成，它們的質量相對于圍繞著核的電子要大得多。然而，與所有其他元素不同的是，碳原子能夠與其他原子結合，形成具有非凡化學性質和物理性質的物質。就碳原子與其他原子結合這一點而言，碳可以制造出種類幾乎無限的化合物，包括一些非常復雜的化合物。正是這些非常復雜的化合物讓生命得以出現，然后經過地質時期的演化，產生我們所知的活的生物體。
?碳可能只是近百種自然存在的元素之一，卻從所有其他元素中脫穎而出。作為單質，它能夠以各種不同的固體形態存在，如炭黑、石墨、鉆石、富勒烯、納米管和只有一個原子厚度的碳晶格。當碳與其他元素結合時，可以形成幾乎無限多種化合物。這些化合物是如此重要，以至于它們有自己的學科類別名稱，叫作“有機化學”。
?碳單質有幾種已知的天然形式，而非天然的形式至少有一種。*簡單的碳單質形式就是只有一個原子，但這種形式的碳在地球上是無法找到的，因為碳原子總是附著在所有東西上并形成分子。只有在與世隔絕的星際空間中，才能發現單個碳原子。比單個碳原子復雜的是碳鏈，也就是碳原子排成一行形成的單鏈， 它們的自然狀態也只能存在于星際空間。
?在碳原子相互結合后，它們可以形成被稱為石墨烯的薄片。當石墨烯片堆疊在一起時（這很容易做到），我們就有了石墨，這種材料可以讓鉛筆畫出黑線。石墨烯片還可以卷曲形成微小的中空納米管，進一步卷曲則可以形成富勒烯（也稱巴基球，以發現者巴克敏斯特·富勒的名字命名）。自然界中*豐富的富勒烯形態就是類似足球的準球狀分子C60。眾所周知，碳還可以形成*高級的礦物——鉆石晶體。我們將專門辟出一章來介紹它。純碳環也是可能存在的：由18 個碳原子構成的環碳分子是目前唯一被制造出來的純碳環。理論上早就預測了這種結構的存在，但直到2019 年，人們才真正合成這種結構。因此，盡管我們已知的碳的形態多得令人難以置信，但總有更多的形態等待著我們去發現。
?作為天文學家，我們將不可避免地從廣袤的宇宙角度來探討碳的許多方面。作為科學家，我們非常重視與這一特定元素有關的基礎科學問題。由于碳在人類歷史和科學史上發揮著令人難以置信的重要作用，因此我們也選擇從歷史的角度來看待碳。碳的廣泛歷史包括它的起源、為什么說它是形成幾乎所有其他化學元素的基本門戶、它是如何在太空中演化的、它如何來到地球，以及它如何被用來制造生命和推動我們這個星球的演化。早期人類對碳的處理方式帶來了取火技能和洞穴繪畫，隨后對碳的使用演變成科學的基礎，以及我們對原子和物質的*初理解。故事到現在還沒有結束，物理學和天文學的發現清楚地表明，碳在未來數萬億年內將發揮基礎性作用，因為碳在各種截然不同的環境中循環，并*終在遙遠的未來那難以描述的深時被摧毀。
?我們這個時代*具挑戰性的科學努力之一是預測和了解二氧化碳（CO2）的積累對未來的影響，以及它對作物、極地冰山、海平面、天氣和全球經濟的影響。如果說哪種元素對地球、對我們的生命有極為重大的影響，那么碳獨樹一幟。不管你喜不喜歡，驅動現代世界的能源很大程度上仍然來自燃燒含碳化合物產生二氧化碳的化學反應，就像*初的洞穴人所做的。碳是元素周期表中唯一有自己名頭的稅種的元素。從1990 年的芬蘭開始，許多國家有了某種形式的碳稅，以鼓勵國民改用其他形式的能源生產，從而減少溫室氣體二氧化碳的產生。我們將在第8章討論其中的一些問題。
?學過生物學的人都知道，**節課一定是告訴我們生命是以碳為基礎的，這種碳元素的獨特之處在于它能夠與自身或許多其他元素通過形成各種化學鍵而存在。然而，碳的許多作用及其獨特性質和化學反應經常被低估。我們寫作本書的主要目的是盡可能多地展示第六號元素的榮耀：從*早的已知文字和繪畫到*新的納米技術；從它在恒星中的誕生到它在地球形成中的作用， 再到它的許多生命形態的作用（人類創造出這些物質用以維持生命，以及美化和增強生命）；以及它在建設、發明并將文學、藝術、音樂、法律、數學和其他形式的知識積累傳授給后代等方面的作用。
?在第6 章中，我們將重點關注第六號元素所催生的令人驚嘆的材料、工具和技術，以及它們塑造歷史和我們日常生活的一些方式。這里僅舉一個例子：碳在使記錄歷史得以實現方面所發揮的重要作用。早在兩萬年前，在法國西南部的多爾多涅地區，木炭就被用來制作著名的舊石器時代洞穴繪畫。對現在活著的大多數人來說，他們所學的很多東西都是從閱讀用炭黑印刷的文獻中學到的。直到*近，碳還被用來創造幾乎所有的手寫或印刷文字。《大憲章》和《獨立宣言》，還有計算機文字處理技術出現之前的所有文獻，都是用墨水中或鉛筆的“鉛”（碳和黏土的混合物）中的微小碳顆粒寫成的。
?碳在我們生活中發揮著另一項經常不被重視的功能，那就是它為我們提供了顏色上的基本作用。除了海洋和天空，豐富我們日常生活的大多數顏色都涉及含碳化合物，即使它們只是將無機顏料結合在一起的黏合劑。一些顏料來源于煤焦油或其他石化產品。我們這顆豐富多彩的碳覆蓋的星球，與火星、月球和金星這些太空中相對單調的鄰居形成了驚人的反差。除了看不見的二氧化碳，這些天體中并無數量顯著的含碳化合物。它們的表現沒有被植物或顏料覆蓋，所以它們呈現出令人麻木的單一色調，要么是灰色，要么是紅色。
?第六號元素為我們提供了數量驚人的功能，而這些功能可能經常被忽視。鋼是大多數建筑、橋梁、車輛和現代戰爭的支柱。但鋼里不只有鐵元素，而是通過添加少量的碳來增加鐵的強度，摻碳大大提高了鋼的性能。汽車、卡車和公共汽車的輪胎都使用一種神奇的材料“橡膠”，這種材料由碳聚合物基質中混入微小碳顆粒制成。車輛行駛的道路要么是瀝青路面，要么是混凝土路面。而瀝青是石油和石子的混合物，混凝土則是由巖石、石灰和黏土制成的，其中的關鍵成分石灰是由石灰石經過煅燒制成的。到目前為止，石灰石是地球外層碳的主要存在形式。僅僅是道路和建筑用混凝土的生產所排放到大氣中的二氧化碳，就占到人類產生的二氧化碳總量的5%。
?人和動物吃的所有食物，以及大部分食品包裝材料，都是由含碳化合物組成的。你佩戴的鉆石和用來從山石上切割出花崗巖臺面的鉆石，都屬于碳單質。你所呼吸的空氣主要由氮和氧組成，而二氧化碳的濃度很低（0.04%）。但是，二氧化碳在控制我們星球的長期宜居性方面發揮著重要作用。當然，它也是參天大樹及其他所有植物的碳源，使得植物能夠利用陽光提供的能量來生長。雖然在香檳酒和碳酸飲料中二氧化碳氣體很受歡迎，但由于它在全球變暖中的負面作用，人們普遍對它持嘲諷態度。具有諷刺意味的是，我們離不開這種“有毒氣體”，因為它是我們星球的“生命之糧”。
?我們將討論塑料。作為一類含碳化合物，塑料已經徹底改變了我們的社會。塑料有天然物與人工制品之分——天然的如琥珀，但更主要的是人工制品。自第二次世界大戰以來，人類已經生產了近100 億噸合成塑料，其原料通常來自石油，而碳是石油中的主要成分。無論是作為垃圾還是作為我們離不開的產品，塑料都已經無處不在。盡管一提到塑料，會讓人想起地球和海洋中的廢棄物和污染，但它們也以非凡的方式豐富著我們的生活。塑料的使用場合似乎無窮無盡，我們的一些高精尖的材料都是塑料。例如，由環氧樹脂和石墨纖維制成的復合材料被用于制造航天器、網球拍、飛機、滑板、昂貴的汽車和洲際彈道導彈的彈頭等產品。電視和手機上所用的*高質量顯示屏是由有機發光二極管（OLED）制成的。OLED是首字母縮寫，其中“O”的全稱“organic”（有機）并不意味著它誕生于不使用農藥的OLED農場里，而是表示它由含有碳–氫鍵和碳–碳鍵的碳基分子構成。這種“誤解”是科學術語被誤用的常見例子，或者至少是一種替代用法。根據科學定義，一氧化碳（CO）、CO2 和氰化物不是有機分子，盡管雜貨店里的幾乎所有食物（包括傳統種植的蔬菜）都是由有機物制成的。
?很難想象，生活在沒有塑料的現代世界是什么情形。一個簡單的例子是拉鏈袋提供的方便。幾千年來，人們用葫蘆、黏土罐、籃子或動物內臟作為容器來存儲珍貴的食物和水，但與耐用、透明、比頭發絲還薄、幾乎沒有重量還可以使用多年的聚乙烯材料制成的結實防水袋相比，這些容器的實用性相形見絀。然而，現在我們使用了太多的塑料袋、塑料包裝和塑料容器，它們已經成為嚴重的環境公害。
?我們將看到，像許多其他東西一樣，碳元素既有正面的潛力和屬性，也有負面的潛力和屬性。開采并使用煤炭和石油，甚至吸入營火的煙灰，都會對現在和過去的人類健康造成嚴重后果。化石燃料的燃燒導致了二氧化碳的積累，這引發了人們對人類造成的全球變暖和海平面上升的擔憂。放射性碳–14（14C）是由宇宙射線撞擊大氣層頂部的氮產生的（核彈試驗也會有一定的貢獻），它為確定人類文明誕生以來的事件發生的年代提供了一種奇妙的手段，但與煤炭一樣，它也有副作用。我們體內1/2 的放射性是由碳–14 的衰變引起的，其衰變速率高達每秒鐘4 000 次。想到這一點就令人驚訝：我們身體中碳原子的濃度可以使蓋革計數器因過載而失靈，而大氣層邊緣產生的放射性碳和正常碳都被用于構建植物結構，這些植物*終又會被我們吃掉。我們體內另外1/2 的放射性來自骨骼中天然鉀的衰變。盡管這種放射性聽起來糟糕得嚇人，但據說正是DNA（脫氧核糖核酸）中碳–14 的衰變可能在基因突變中發揮作用，使物種能夠在長時間尺度上演化。
?我們對第六號元素的研究，將使我們了解碳在這些方面和其他倫理方面的用途。我們將走進大科學家（物理學家、化學家、天文學家、生物學家等）的實驗室，他們對我們理解碳元素和元素的確切含義做出過貢獻，而這些實驗室曾在科學史上發揮至關重要的作用。科學家或那些曾經被稱為自然哲學家的人花了幾個世紀的時間，才弄清楚什么是元素。起初，人們對元素的理解只能通過其行為特征來完成：如果一種特定物質在化學反應中總是以相同的方式起作用，并且不能分解成具有不同性質的次一級物質，它就被認為是一種元素。直到后來，元素的特性、原子和原子結構之間的聯系才被理解。
?奇妙的碳元素在*宏大的意義上真正塑造了“我們的世界”，包括地球上生物的起源和演化，而且我們對碳的理解可以延伸到宇宙的整個空間和時間尺度上，涵蓋已經發生和將要發生的無數核反應和化學反應。
第六號元素:how carbon shapes our world 作者簡介
西奧多·P. 斯諾（Theodore P.Snow）：科羅拉多大學博爾德分校天體物理學和空間天文學中心名譽教授，國際天文學聯合會（IAU）活躍成員，宇宙起源光譜儀科學團隊成員；獲獎教材《動態宇宙》的作者。 唐·布朗利（Don Brownlee）：華盛頓大學天文學名譽教授、天體生物學項目成員，美國宇航局“星塵”任務的首席研究員；科普作家，此前他與華盛頓大學古生物學家彼得·沃德合著了《稀有地球》等。
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