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            碳是一種非金屬元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。它的化學符號是C,它的原子序數是6,電子構型為[He]2s22p2。碳是一種很常見的元素,它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用,碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。

            拉丁語為Carbonium,意為“煤,木炭”。漢字“碳”字由木炭的“炭”字加表固體非金屬元素的石字旁構成,從 炭字音。

            性狀

            碳單質通常是無臭無味的固體。單質碳的物理和化學性質取決于它的晶體結構,外觀、密度、熔點等各自不同。 碳的單質已知以多種同素異形體的形式存在:

            石墨
            莫氏硬度:石墨1-2 金剛石 10
            金剛石

            富勒烯(Fullerenes,也被稱為巴基球)

            無定形碳(Amorphous,不是真的異形體,內部結構是石墨)

            碳納米管(Carbon nanotube)

            六方金剛石(Lonsdaleite,與金剛石有相同的鍵型,但原子以六邊形排列,也被稱為六角金剛石)

            趙石墨(Chaoite,石墨與隕石碰撞時產生,具有六邊形圖案的原子排列)

            黝礦結構(Schwarzite,由于有七邊形的出現,六邊形層被扭曲到“負曲率”鞍形中的假想結構)

            纖維碳(Filamentous carbon,小片堆成長鏈而形成的纖維)

            碳氣凝膠(Carbon aerogels,密度極小的多孔結構,類似于熟知的氣凝膠)

            碳納米泡沫(Carbon nanofoam,蛛網狀,有分形結構,密度是碳氣凝膠的百分之一,有磁性)

            最常見的兩種單質是高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨,它們晶體結構和鍵型都不同。金剛石每個碳都是四面體4配位,類似脂肪族化合物;石墨每個碳都是三角形3配位,可以看作無限個苯環稠合起來。

            常溫下單質碳的化學性質比較穩定,不溶于水、稀酸、稀堿和有機溶劑。

            同位素

            目前已知的同位素共有十二種,有碳8至碳19,其中碳12和碳13屬穩定型,其余的均帶放射性,當中碳14的半衰期長達五千多年,其他的均全不足半小時。

            在地球的自然界里,碳12在所有碳的含量占98.93%,碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權的平均值,一般計算時取12.01。

            碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度,以12克碳12中含有的原子數為1摩爾。碳14由于具有較長的半衰期,被廣泛用來測定古物的年代。

            成鍵

            碳原子一般是四價的,這就需要4個單電子,但是其基態只有2個單電子,所以成鍵時總是要進行雜化。最常見的雜化方式是sp3雜化,4個價電子被充分利用,平均分布在4個軌道里,屬于等性雜化。這種結構完全對稱,成鍵以后是穩定的σ鍵,而且沒有孤電子對的排斥,非常穩定。金剛石中所有碳原子都是這種以此種雜化方式成鍵。烷烴的碳原子也屬于此類。

            根據需要,碳原子也可以進行sp2或sp雜化。這兩種方式出現在成重鍵的情況下,未經雜化的p軌道垂直于雜化軌道,與鄰原子的p軌道成π鍵。烯烴中與雙鍵相連的碳原子為sp 2雜化。

            由于sp2雜化可以使原子共面,當出現多個雙鍵時,垂直于分子平面的所有p軌道就有可能互相重疊形成共軛體系。苯是最典型的共軛體系,它已經失去了雙鍵的一些性質。石墨中所有的碳原子都處于一個大的共軛體系中,每一個片層有一個。

            化合物

            碳的化合物中,只有以下化合物屬于無機物:

            碳的化物、化物:一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二硫化碳(CS2)、碳酸鹽、碳酸鹽、氰一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽:氰(CN)2、氧氰,硫氰。

            其它含碳化合物都是有機化合物。由于碳原子形成的鍵都比較穩定,有機化合物中碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性,因此造成了有機物數量極其繁多這一現象,目前人類發現的化合物中有機物占絕大多數。有機物的性質與無機物大不相同,它們一般可燃、不易溶于水,反應機理復雜,現已形成一門獨立的分科 有機化學。

            分布

            碳存在于自然界中(如以金剛石和石墨形式),是煤、石油、瀝青、石灰石和其它碳酸鹽以及一切有機化合物的最主要的成分,在地殼中的含量約0.027%。碳是占生物體干重比例最多的一種元素。碳還以二氧化碳的形式在地球上循環于大氣層與平流層。

            在大多數的天體及其大氣層中都存在有碳。

            發現

            金剛石和石墨史前人類就已經知道。 富勒烯則于1985年被發現,此后又發現了一系列排列方式不同的碳單質。

            同位素碳14由美國科學家馬丁·卡門和塞繆爾·魯賓于1940年發現。

            單質的精煉

            金剛石

            金剛石即鉆石可以找到集中的塊狀礦藏,開采出來時一般都有雜質。用另外的鉆石粉末將雜質削去,并打磨成形,即得成品。一般在切削、打磨過程中要損耗掉一半的質量。

            石墨

            用途

            在工業上和醫藥上,碳和它的化合物用途極為廣泛。

            測量古物中碳14的含量,可以得知其年代,這叫做碳14斷代法。

            石墨可以直接用作炭筆,也可以與粘土按一定比例混合做成不同硬度的芯。金剛石除了裝飾之外,還可使切削用具更鋒利。無定形碳由于具有極大的表面積,被用來吸收毒氣、廢氣。富勒烯和碳納米管則對納米技術極為有用。

            碳是鋼的成分之一。

            碳能在化學上自我結合而形成大量化合物,在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。碳化合物一般從化石燃料中獲得,然后再分離并進一步合成出各種生產生活所需的產品,如乙烯、塑料等。

            理化特性

            總體特性

            元素名稱:碳

            元素符號:C

            元素類型:非金屬

            元素原子量:12.01

            質子數:6

            中子數:7

            原子序數:6

            所屬周期:2

            所屬族數:IVA

            電子層分布:2-4

            密度、硬度 密度為3.513 g/cm3(金剛石)、2.260 g/cm3(石墨)(20 ℃)、

            0.5 (石墨)

            10.0 (鉆石)

            顏色和外表 黑色(石墨)

            無色(鉆石)

            地殼含量 無數據

            原子屬性

            原子量 12.0107 原子量單位

            原子半徑(計算值) 70(67)pm

            共價半徑 77 pm

            范德華半徑 170 pm

            電子構型 []2s22p2

            電子在每能級的排布 2,4

            氧化價(氧化物) 4,3,2(弱酸性)

            晶體結構 六方(石墨)

            立方(鉆石)

            物理屬性

            物質狀態 固態(反磁性)

            熔點 熔點約為3 550 ℃(金剛石)

            沸點 沸點約為4 827 ℃(升華)

            摩爾體積 5.29×10-6m3/mol

            汽化熱 355.8 kJ/mol(升華)

            熔化熱 無數據(升華)

            蒸氣壓 0 帕

            聲速 18350 m/s

            其他性質

            電負性 2.55(鮑林標度)

            比熱 710 J/(kg·K)

            電導率 0.061×10-6/(米歐姆)

            熱導率 129 W/(m·K)

            第一電離能 1086.5 kJ/mol

            第二電離能 2352.6 kJ/mol

            第三電離能 4620.5 kJ/mol

            第四電離能 6222.7 kJ/mol

            第五電離能 37831 kJ/mol

            第六電離能 47277.0 kJ/mol

            最穩定的同位素

            同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量

            MeV 衰變產物

            12C 98.9 % 穩定

            13C 1.1 % 穩定

            14C 微量 5730年β衰變 0.156 14N

            在沒有特別注明的情況下使用的是

            國際標準基準單位單位和標準氣溫和氣壓

            碳,原子序數6,原子量12.011。元素名來源拉丁文,愿意是“炭”。碳是自然界中分布很廣的元素之一,在地殼中的含量約0.27%。碳的存在形式是多種多樣的,有晶態單質碳如金剛石、石墨;有無定形碳如煤;有復雜的有機化合物如動植物等;碳酸鹽如大理石等。

            單質碳的物理和化學性質取決于它的晶體結構。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同,各有各的外觀、密度、熔點等。

            常溫下單質碳的化學性質比較穩定,不溶于水、稀酸、稀堿和有機溶劑;不同高溫下與氧反應,生成二氧化碳或一氧化碳;在鹵素中只有能與單質碳直接反應;在加熱下,單質碳較易被酸氧化;在高溫下,碳還能與許多金屬反應,生成金屬碳化物。
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