是不是覺得這個問題比較可笑？是啊，雖說基本都是碳，由于出身不同，如果比價格，恐怕任何一粒鑽石都要比煤炭貴上千百倍。但若論價值，可就兩說了。

一塊從非洲開采的巨型鑽石

煤不是碳，但主要是碳

從元素的角度來分析，煤與鑽石是同源的。鑽石是碳的其中一種同素異形體，它最主要的構成元素就是碳原子。煤不是碳，煤是混合物，碳是其最主要組成部分，也是煤炭中最有價值的部分。

從成分上區分，煤炭大緻以其含碳量大緻分為褐煤、煙煤和無煙煤。

一塊無煙煤，它含有90%以上的碳

在地球形成的初期，地球大氣是沒有氧氣沒有氮氣也沒有二氧化碳的，那時候圍繞在地球表層的是氫氣、甲烷、氨和水蒸氣。之後不斷有巨大小行星的撞擊，強烈的地質活動和火山噴發将地下的氮氣、一氧化碳和二氧化碳釋放了出來，大氣中開始積聚了大量的碳。這些碳的大部分溶解在水中形成碳酸鹽，其餘成為地球大氣的一部分，同時，二氧化碳作為優良的溫室氣體，使地球保持了适合生命形成的溫度。随着地球上第一批厭氧細菌和藻類的形成，它們大量吸收空氣中的二氧化碳，将碳固定在地球表面，同時向大氣層釋放氧氣。随着大氣中的二氧化碳逐步減少、氧氣越來越多，地球開始越來越适合動植物的生長。

從距今6.5億年前開始，海洋中大量的藻類和細菌死亡後逐漸沉積，随着地質年代的變遷形成今天的石油。陸地上繁茂的植物在死亡之後也慢慢堆積，将它們從空氣中吸收的碳固定在地面。

石炭紀繁茂的森林

地球上植物最繁茂的時期是開始于3.6億年前的石炭紀，大量植物殘骸堆積形成今天豐富的煤炭儲存。這個時期煤層豐厚的一個主要原因是因為分解植物的細菌還沒有進化完善，它們還沒有進化出可以有效消化抗性酚醛木質素聚合物和蠟質木栓質聚合物的酶。煤層形成的另一個因素是這個時期地球的地殼活動十分活躍，大量動植物殘骸被迅速深埋于地下，它們被壓縮，在地底的高溫和高壓下，死植物被緩慢地轉化為煤，植物中的碳得以保存在煤中。

煤礦綜采設備正在挖煤

煙煤的含碳量大約為60%~80%；無煙煤的含碳量則高達92%~98%，它是一種煤化程度很高的燃料。石墨是碳的同素異形體之一，它中間僅含有極少量的水、氣體和其它雜質。

煙煤比較容易點燃，無煙煤很難點燃，而點燃石墨則是件非常困難的事，這決定了它們不同的用途。

石墨在極高的溫度和壓力下會變成鑽石。研究表明，大多數天然鑽石的年齡介于10億至35億年之間，它們形成于地球地幔150至250公裡深度，少數甚至來自800公裡深處。在高壓和高溫下，含碳化合物中大部分的礦物雜質一點一點地被擠壓出去形成石墨，石墨的原子排列發生變化，變成鑽石，并最終經由火山噴發帶到地面。

石墨碳鍵改變的過程

從形成年代我們可以看出，天然鑽石并不是由煤炭轉化而來的，因為煤炭由地球表面枯死的樹木經過數億年的漫長煤化過程才變為煙煤或無煙煤，無煙煤在地殼深處很高的溫度和壓力下可以進一步轉變為石墨。而石墨轉化為鑽石的位置是比煤層更深的地幔，時間也長達10億年以上。所以鑽石來自于地幔深處的含碳化合物，而非煤炭。

這是一塊極稀有的石墨晶體闆材，它沒有變成鑽石

鑽石極其稀有，一方面是鑽石形成的位置很深、形成的溫度和壓力條件也極苛刻，同時由火山運動帶出地表的鑽石更加稀少，它們沉積在被稱為金伯利岩和燈盞岩的火成岩中。

一粒鑲嵌在火成岩中的八面體鑽石

鑽石是碳的菱形立方體結晶。我們知道碳的原子序數是6，它的外層有6個電子，這6個電子的軌道分布為1s²2s²2p²，它的第二層共有4個電子，這4個電子可以分别與相鄰的原子結合成四面體，使軌道sp²變成更穩定的sp³。四面體是剛性的，粘合強，并且在所有已知物質中，鑽石每單位體積具有最大數量的原子。

鑽石與石墨結構對比

鑽石的獨特結構使其擁有優異的光學特性，它具有5.5 eV的寬禁帶，相當于225納米的深紫外波長，因此鑽石透明且擁有極高的折射率。我們了解鑽石因為它是珠寶界的寵兒，珠寶商将鑽石打磨成各種各樣的表面，使其折射出耀眼的光芒，同時又因為鑽石的稀有和卓越的穩定性，常常被宣傳為“一顆永流傳”。

盡管鑽石是世界上最堅硬的晶體之一，但我們從它的碳鍵結構可以看出，鑽石的内部是有空間可以容納各種雜質的。事實上任何元素都可以通過離子注入引入鑽石，氮是目前寶石中最常見的雜質，是鑽石中黃色和棕色的原因。

含氮的棕黃色鑽石

硼元素摻雜在碳原子之間，可以使其顯示出藍色，著名的就是因為其中含有微量硼雜質。

“希望之鑽”

還有一些鑽石因為其在形成的過程中不均勻地摻雜了各種其它物質，導緻其顯示出形态各異的花紋，大部分失去了寶石的價值，也有極少數因此身價倍增。比如“錦鯉鑽石”：

“錦鯉鑽石”

與珠寶鑽石相比，絕大多數開采出來的鑽石因為有雜質被用作工業用途。世界上大約每年有27噸以上的開采鑽石被用于工業，占全球鑽石總開采量的80%以上。同時，人們還利用對石墨加壓的辦法大量生産人造金剛石用于生産和加工，每年人工合成的金剛石超過100噸。

鑽石有極高的硬度和導熱性，它是工業上理想的切割和研磨材料，比如被制成金剛石鑽頭、金剛石鋸，它可以用來打磨砂輪，也可以被碾碎做成砂紙來打磨其它東西。與昂貴的寶石相比，這些金剛石真不值什麼錢。

同樣是碳，與昂貴的鑽石相比，煤炭卻是低賤的，它們看起來肮髒，不值錢，隻配拿來燒掉。但煤炭卻是極重要的戰略資源。

一名煤礦工人在井下檢查支護系統

煤炭是世界上開采量最大的礦物之一，2017年全球煤炭開采量達75.5億噸，世界探明煤炭可開采儲量超過1萬億噸，這都是極驚人的數字，也足以證明煤炭在全球經濟和人類發展中的重要地位。

煤炭是一種重要的化石燃料，大部分的煤炭都作為燃料用于發電、取暖和生火做飯等能源消耗，2017年全球一次能源消耗中煤炭占了28%。

早在新石器時代，我們的祖先就學會了燃燒煤炭；而在公元前1000年，東北地區撫順礦的煤就被用來冶煉銅；公元13世紀，馬可波羅就在他的遊記中說，人們因為燃燒煤炭，“每個星期可以洗三次熱水澡”；《天工開物》裡也有介紹人們是如何從地下采煤和排放瓦斯的。

《天工開物》采煤圖

煤的能量密度（熱值）大約為24 MJ/kg，相當于每公斤約6.7千瓦時。大部分煤炭被用作燃煤電廠燃燒發電，發電廠通過燃燒煤炭加熱水，再利用水蒸汽推動蒸汽輪機發電，電廠的燃煤發電效率大約為40%左右，而我們泰州目前最先進的超超臨界二次再熱燃煤發電機組設計發電煤耗256.2克∕千瓦時，是熱效率最高的燃煤機組。

低硫煤炭在被煉成焦炭之後，是一種重要的冶煉原料。煤炭在煉焦爐的烘箱中被隔絕氧氣加熱到1000℃以上，其中大部分硫、磷和煤焦油等有機揮發性物質被去除，剩下多孔海綿狀的碳和灰分，這就是焦炭。

焦炭是煉鐵的重要原料

焦炭大多被用來煉鐵，其中的碳被用來還原鐵礦石中的氧，使鐵元素被還原出來成為生鐵：

2 Fe₂O₃ 3 C → 4 Fe 3 CO₂

事實上這個反應過程隻是個簡易的化學式，事實上在煉鐵的過程中主要參與的是一氧化碳，當預熱的空氣被鼓風機吹入高爐時，其中的氧氣會與焦炭生成一氧化碳，再由一氧化碳還原鐵礦石：

2 C O₂ → 2 CO

3 Fe₂O₃ CO → 2 Fe₃O₄ CO₂

Fe₃O₄ CO → 3 FeO CO₂

FeO CO → Fe CO₂

由于爐内有高溫的焦炭，煉鐵過程中産生的大量二氧化碳還可以被碳還原為一氧化碳，重新參與到與鐵礦石的還原反應中，這種循環使得高爐的二氧化碳總排放量得以大幅度降低：

C CO₂ → 2 CO

煉鐵高爐出鐵

生鐵中的碳含量高達4~5%，它非常脆，需要使用其它辦法将其中多餘的碳去除。但在煉鋼的過程中，人們經常需要往裡邊添加石墨來調整其中的碳含量，以得到不同的碳素鋼。碳鋼是含碳量在0.0218%~2.11%的鐵碳合金，在這個範圍内，碳含量越高，鋼的硬度越高。

煤炭不僅可以用于燃料、發電和金屬冶煉，随着科學技術的發展，煤炭還可以通過液化和氣化生産出更多的化工産品，用于國民經濟的各個方面，強化我們的經濟，豐富民衆的生活。

煤炭與鑽石的主要成分都是碳，由于它們産生的條件不同，它們在地球的儲量差異巨大。

煤炭廣泛存在于地殼淺層，有些巨型煤礦甚至是露天的，開采它們非常方便；但鑽石産自數百公裡深處的地幔，隻是由于火山運動才有少量被帶到地表，因此鑽石的開采數量極少。

品相好的鑽石是珠寶商的寵兒，它們被加工之後以高價出售；與鑽石相比煤炭是廉價的。

煤炭廣泛應用于我們的生産和生活，人類文明的發展進步與煤炭的開采及利用是分不開的，從社會發展的角度看，煤炭比鑽石有更大的價值。

同時我們也要看到，對煤炭的使用使大量的碳回到大氣中，急劇增加的二氧化碳不僅改變了地球的環境，還給萬物生存造成了威脅，這是我們需要面對和解決的問題。

地球的碳循環

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