碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。它的化学符号是C,它的原子序数是6,电子构型为[He]2s22p2。碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。

拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”。汉字“碳”字由木炭的“炭”字加表固体非金属元素的石字旁构成,从 炭字音。

性状

碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构,外观、密度、熔点等各自不同。 碳的单质已知以多种同素异形体的形式存在:

石墨
莫氏硬度:石墨1-2 金刚石 10
金刚石

富勒烯(Fullerenes,也被称为巴基球)

无定形碳(Amorphous,不是真的异形体,内部结构是石墨)

碳纳米管(Carbon nanotube)

六方金刚石(Lonsdaleite,与金刚石有相同的键型,但原子以六边形排列,也被称为六角金刚石)

赵石墨(Chaoite,石墨与陨石碰撞时产生,具有六边形图案的原子排列)

黝矿结构(Schwarzite,由于有七边形的出现,六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构)

纤维碳(Filamentous carbon,小片堆成长链而形成的纤维)

碳气凝胶(Carbon aerogels,密度极小的多孔结构,类似于熟知的气凝胶)

碳纳米泡沫(Carbon nanofoam,蛛网状,有分形结构,密度是碳气凝胶的百分之一,有磁性)

最常见的两种单质是高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨,它们晶体结构和键型都不同。金刚石每个碳都是四面体4配位,类似脂肪族化合物;石墨每个碳都是三角形3配位,可以看作无限个苯环稠合起来。

常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。

同位素

目前已知的同位素共有十二种,有碳8至碳19,其中碳12和碳13属稳定型,其余的均带放射性,当中碳14的半衰期长达五千多年,其他的均全不足半小时。

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,被广泛用来测定古物的年代。

成键

碳原子一般是四价的,这就需要4个单电子,但是其基态只有2个单电子,所以成键时总是要进行杂化。最常见的杂化方式是sp3杂化,4个价电子被充分利用,平均分布在4个轨道里,属于等性杂化。这种结构完全对称,成键以后是稳定的σ键,而且没有孤电子对的排斥,非常稳定。金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。烷烃的碳原子也属于此类。

根据需要,碳原子也可以进行sp2或sp杂化。这两种方式出现在成重键的情况下,未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道,与邻原子的p轨道成π键。烯烃中与双键相连的碳原子为sp 2杂化。

由于sp2杂化可以使原子共面,当出现多个双键时,垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系。苯是最典型的共轭体系,它已经失去了双键的一些性质。石墨中所有的碳原子都处于一个大的共轭体系中,每一个片层有一个。

化合物

碳的化合物中,只有以下化合物属于无机物:

碳的化物、化物:一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸盐、氰一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐:氰(CN)2、氧氰,硫氰。

其它含碳化合物都是有机化合物。由于碳原子形成的键都比较稳定,有机化合物中碳的个数、排列以及取代基的种类、位置都具有高度的随意性,因此造成了有机物数量极其繁多这一现象,目前人类发现的化合物中有机物占绝大多数。有机物的性质与无机物大不相同,它们一般可燃、不易溶于水,反应机理复杂,现已形成一门独立的分科 有机化学。

分布

碳存在于自然界中(如以金刚石和石墨形式),是煤、石油、沥青、石灰石和其它碳酸盐以及一切有机化合物的最主要的成分,在地壳中的含量约0.027%。碳是占生物体干重比例最多的一种元素。碳还以二氧化碳的形式在地球上循环于大气层与平流层。

在大多数的天体及其大气层中都存在有碳。

发现

金刚石和石墨史前人类就已经知道。 富勒烯则于1985年被发现,此后又发现了一系列排列方式不同的碳单质。

同位素碳14由美国科学家马丁·卡门和塞缪尔·鲁宾于1940年发现。

单质的精炼

金刚石

金刚石即钻石可以找到集中的块状矿藏,开采出来时一般都有杂质。用另外的钻石粉末将杂质削去,并打磨成形,即得成品。一般在切削、打磨过程中要损耗掉一半的质量。

石墨

用途

在工业上和医药上,碳和它的化合物用途极为广泛。

测量古物中碳14的含量,可以得知其年代,这叫做碳14断代法。

石墨可以直接用作炭笔,也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的芯。金刚石除了装饰之外,还可使切削用具更锋利。无定形碳由于具有极大的表面积,被用来吸收毒气、废气。富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用。

碳是钢的成分之一。

碳能在化学上自我结合而形成大量化合物,在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。碳化合物一般从化石燃料中获得,然后再分离并进一步合成出各种生产生活所需的产品,如乙烯、塑料等。

理化特性

总体特性

元素名称:碳

元素符号:C

元素类型:非金属

元素原子量:12.01

质子数:6

中子数:7

原子序数:6

所属周期:2

所属族数:IVA

电子层分布:2-4

密度、硬度 密度为3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨)(20 ℃)、

0.5 (石墨)

10.0 (钻石)

颜色和外表 黑色(石墨)

无色(钻石)

地壳含量 无数据

原子属性

原子量 12.0107 原子量单位

原子半径(计算值) 70(67)pm

共价半径 77 pm

范德华半径 170 pm

电子构型 []2s22p2

电子在每能级的排布 2,4

氧化价(氧化物) 4,3,2(弱酸性)

晶体结构 六方(石墨)

立方(钻石)

物理属性

物质状态 固态(反磁性)

熔点 熔点约为3 550 ℃(金刚石)

沸点 沸点约为4 827 ℃(升华)

摩尔体积 5.29×10-6m3/mol

汽化热 355.8 kJ/mol(升华)

熔化热 无数据(升华)

蒸气压 0 帕

声速 18350 m/s

其他性质

电负性 2.55(鲍林标度)

比热 710 J/(kg·K)

电导率 0.061×10-6/(米欧姆)

热导率 129 W/(m·K)

第一电离能 1086.5 kJ/mol

第二电离能 2352.6 kJ/mol

第三电离能 4620.5 kJ/mol

第四电离能 6222.7 kJ/mol

第五电离能 37831 kJ/mol

第六电离能 47277.0 kJ/mol

最稳定的同位素

同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量

MeV 衰变产物

12C 98.9 % 稳定

13C 1.1 % 稳定

14C 微量 5730年β衰变 0.156 14N

在没有特别注明的情况下使用的是

国际标准基准单位单位和标准气温和气压

碳,原子序数6,原子量12.011。元素名来源拉丁文,愿意是“炭”。碳是自然界中分布很广的元素之一,在地壳中的含量约0.27%。碳的存在形式是多种多样的,有晶态单质碳如金刚石、石墨;有无定形碳如煤;有复杂的有机化合物如动植物等;碳酸盐如大理石等。

单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同,各有各的外观、密度、熔点等。

常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;不同高温下与氧反应,生成二氧化碳或一氧化碳;在卤素中只有能与单质碳直接反应;在加热下,单质碳较易被酸氧化;在高温下,碳还能与许多金属反应,生成金属碳化物
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