煤炭为什么变成钻石（煤炭与钻石哪个更有价值）

是不是觉得这个问题比较可笑？是啊，虽说基本都是碳，由于出身不同，如果比价格，恐怕任何一粒钻石都要比煤炭贵上千百倍。但若论价值，可就两说了。

一块从非洲开采的巨型钻石

煤炭的生成

煤不是碳，但主要是碳

从元素的角度来分析，煤与钻石是同源的。钻石是碳的其中一种同素异形体，它最主要的构成元素就是碳原子。煤不是碳，煤是混合物，碳是其最主要组成部分，也是煤炭中最有价值的部分。

从成分上区分，煤炭大致以其含碳量大致分为褐煤、烟煤和无烟煤。

一块无烟煤，它含有90%以上的碳

在地球形成的初期，地球大气是没有氧气没有氮气也没有二氧化碳的，那时候围绕在地球表层的是氢气、甲烷、氨和水蒸气。之后不断有巨大小行星的撞击，强烈的地质活动和火山喷发将地下的氮气、一氧化碳和二氧化碳释放了出来，大气中开始积聚了大量的碳。这些碳的大部分溶解在水中形成碳酸盐，其余成为地球大气的一部分，同时，二氧化碳作为优良的温室气体，使地球保持了适合生命形成的温度。随着地球上第一批厌氧细菌和藻类的形成，它们大量吸收空气中的二氧化碳，将碳固定在地球表面，同时向大气层释放氧气。随着大气中的二氧化碳逐步减少、氧气越来越多，地球开始越来越适合动植物的生长。

从距今6.5亿年前开始，海洋中大量的藻类和细菌死亡后逐渐沉积，随着地质年代的变迁形成今天的石油。陆地上繁茂的植物在死亡之后也慢慢堆积，将它们从空气中吸收的碳固定在地面。

石炭纪繁茂的森林

地球上植物最繁茂的时期是开始于3.6亿年前的石炭纪，大量植物残骸堆积形成今天丰富的煤炭储存。这个时期煤层丰厚的一个主要原因是因为分解植物的细菌还没有进化完善，它们还没有进化出可以有效消化抗性酚醛木质素聚合物和蜡质木栓质聚合物的酶。煤层形成的另一个因素是这个时期地球的地壳活动十分活跃，大量动植物残骸被迅速深埋于地下，它们被压缩，在地底的高温和高压下，死植物被缓慢地转化为煤，植物中的碳得以保存在煤中。

煤矿综采设备正在挖煤

烟煤的含碳量大约为60%~80%；无烟煤的含碳量则高达92%~98%，它是一种煤化程度很高的燃料。石墨是碳的同素异形体之一，它中间仅含有极少量的水、气体和其它杂质。

烟煤比较容易点燃，无烟煤很难点燃，而点燃石墨则是件非常困难的事，这决定了它们不同的用途。

钻石为什么贵？

石墨在极高的温度和压力下会变成钻石。研究表明，大多数天然钻石的年龄介于10亿至35亿年之间，它们形成于地球地幔150至250公里深度，少数甚至来自800公里深处。在高压和高温下，含碳化合物中大部分的矿物杂质一点一点地被挤压出去形成石墨，石墨的原子排列发生变化，变成钻石，并最终经由火山喷发带到地面。

石墨碳键改变的过程

从形成年代我们可以看出，天然钻石并不是由煤炭转化而来的，因为煤炭由地球表面枯死的树木经过数亿年的漫长煤化过程才变为烟煤或无烟煤，无烟煤在地壳深处很高的温度和压力下可以进一步转变为石墨。而石墨转化为钻石的位置是比煤层更深的地幔，时间也长达10亿年以上。所以钻石来自于地幔深处的含碳化合物，而非煤炭。

这是一块极稀有的石墨晶体板材，它没有变成钻石

钻石极其稀有，一方面是钻石形成的位置很深、形成的温度和压力条件也极苛刻，同时由火山运动带出地表的钻石更加稀少，它们沉积在被称为金伯利岩和灯盏岩的火成岩中。

一粒镶嵌在火成岩中的八面体钻石

钻石之所以贵，不仅在于其稀有，更在于它优异的物理特性。

钻石是碳的菱形立方体结晶。我们知道碳的原子序数是6，它的外层有6个电子，这6个电子的轨道分布为1s²2s²2p²，它的第二层共有4个电子，这4个电子可以分别与相邻的原子结合成四面体，使轨道sp²变成更稳定的sp³。四面体是刚性的，粘合强，并且在所有已知物质中，钻石每单位体积具有最大数量的原子。

钻石与石墨结构对比

钻石的独特结构使其拥有优异的光学特性，它具有5.5 eV的宽禁带，相当于225纳米的深紫外波长，因此钻石透明且拥有极高的折射率。我们了解钻石因为它是珠宝界的宠儿，珠宝商将钻石打磨成各种各样的表面，使其折射出耀眼的光芒，同时又因为钻石的稀有和卓越的稳定性，常常被宣传为“一颗永流传”。

尽管钻石是世界上最坚硬的晶体之一，但我们从它的碳键结构可以看出，钻石的内部是有空间可以容纳各种杂质的。事实上任何元素都可以通过离子注入引入钻石，氮是目前宝石中最常见的杂质，是钻石中黄色和棕色的原因。

含氮的棕黄色钻石

硼元素掺杂在碳原子之间，可以使其显示出蓝色，著名的就是因为其中含有微量硼杂质。

“希望之钻”

还有一些钻石因为其在形成的过程中不均匀地掺杂了各种其它物质，导致其显示出形态各异的花纹，大部分失去了宝石的价值，也有极少数因此身价倍增。比如“锦鲤钻石”：

“锦鲤钻石”

与珠宝钻石相比，绝大多数开采出来的钻石因为有杂质被用作工业用途。世界上大约每年有27吨以上的开采钻石被用于工业，占全球钻石总开采量的80%以上。同时，人们还利用对石墨加压的办法大量生产人造金刚石用于生产和加工，每年人工合成的金刚石超过100吨。

钻石有极高的硬度和导热性，它是工业上理想的切割和研磨材料，比如被制成金刚石钻头、金刚石锯，它可以用来打磨砂轮，也可以被碾碎做成砂纸来打磨其它东西。与昂贵的宝石相比，这些金刚石真不值什么钱。

煤是重要的战略资源

同样是碳，与昂贵的钻石相比，煤炭却是低贱的，它们看起来肮脏，不值钱，只配拿来烧掉。但煤炭却是极重要的战略资源。

一名煤矿工人在井下检查支护系统

煤炭是世界上开采量最大的矿物之一，2017年全球煤炭开采量达75.5亿吨，世界探明煤炭可开采储量超过1万亿吨，这都是极惊人的数字，也足以证明煤炭在全球经济和人类发展中的重要地位。

煤炭是一种重要的化石燃料，大部分的煤炭都作为燃料用于发电、取暖和生火做饭等能源消耗，2017年全球一次能源消耗中煤炭占了28%。

早在新石器时代，我们的祖先就学会了燃烧煤炭；而在公元前1000年，东北地区抚顺矿的煤就被用来冶炼铜；公元13世纪，马可波罗就在他的游记中说，人们因为燃烧煤炭，“每个星期可以洗三次热水澡”；《天工开物》里也有介绍人们是如何从地下采煤和排放瓦斯的。

《天工开物》采煤图

煤的能量密度（热值）大约为24 MJ/kg，相当于每公斤约6.7千瓦时。大部分煤炭被用作燃煤电厂燃烧发电，发电厂通过燃烧煤炭加热水，再利用水蒸汽推动蒸汽轮机发电，电厂的燃煤发电效率大约为40%左右，而我们泰州目前最先进的超超临界二次再热燃煤发电机组设计发电煤耗256.2克∕千瓦时，是热效率最高的燃煤机组。

低硫煤炭在被炼成焦炭之后，是一种重要的冶炼原料。煤炭在炼焦炉的烘箱中被隔绝氧气加热到1000℃以上，其中大部分硫、磷和煤焦油等有机挥发性物质被去除，剩下多孔海绵状的碳和灰分，这就是焦炭。

焦炭是炼铁的重要原料

焦炭大多被用来炼铁，其中的碳被用来还原铁矿石中的氧，使铁元素被还原出来成为生铁：

2 Fe₂O₃ 3 C → 4 Fe 3 CO₂

事实上这个反应过程只是个简易的化学式，事实上在炼铁的过程中主要参与的是一氧化碳，当预热的空气被鼓风机吹入高炉时，其中的氧气会与焦炭生成一氧化碳，再由一氧化碳还原铁矿石：

2 C O₂ → 2 CO

3 Fe₂O₃ CO → 2 Fe₃O₄ CO₂

Fe₃O₄ CO → 3 FeO CO₂

FeO CO → Fe CO₂

由于炉内有高温的焦炭，炼铁过程中产生的大量二氧化碳还可以被碳还原为一氧化碳，重新参与到与铁矿石的还原反应中，这种循环使得高炉的二氧化碳总排放量得以大幅度降低：

C CO₂ → 2 CO

炼铁高炉出铁

生铁中的碳含量高达4~5%，它非常脆，需要使用其它办法将其中多余的碳去除。但在炼钢的过程中，人们经常需要往里边添加石墨来调整其中的碳含量，以得到不同的碳素钢。碳钢是含碳量在0.0218%~2.11%的铁碳合金，在这个范围内，碳含量越高，钢的硬度越高。

煤炭不仅可以用于燃料、发电和金属冶炼，随着科学技术的发展，煤炭还可以通过液化和气化生产出更多的化工产品，用于国民经济的各个方面，强化我们的经济，丰富民众的生活。

总结

煤炭与钻石的主要成分都是碳，由于它们产生的条件不同，它们在地球的储量差异巨大。

煤炭广泛存在于地壳浅层，有些巨型煤矿甚至是露天的，开采它们非常方便；但钻石产自数百公里深处的地幔，只是由于火山运动才有少量被带到地表，因此钻石的开采数量极少。

品相好的钻石是珠宝商的宠儿，它们被加工之后以高价出售；与钻石相比煤炭是廉价的。

煤炭广泛应用于我们的生产和生活，人类文明的发展进步与煤炭的开采及利用是分不开的，从社会发展的角度看，煤炭比钻石有更大的价值。

同时我们也要看到，对煤炭的使用使大量的碳回到大气中，急剧增加的二氧化碳不仅改变了地球的环境，还给万物生存造成了威胁，这是我们需要面对和解决的问题。

地球的碳循环

读完了这篇文章，你认为煤炭和钻石，哪一个更有价值呢？欢迎在评论区留言。谢谢！

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