碳

碳
	6C
	硼 ← 碳 → 氮
外观
	透明無色(鑽石)以及黑色 (石墨); ; ; 碳的原子光譜
概况
名称 · 符号 · 序数	碳 · C · 6
元素类别	非金屬
族 · 週期 · 区	14 · 2 · p
标准原子质量	12.011（1）
电子排布	[氦] 2s2 2p2; 2, 4
历史
发现	Egyptians and Sumerians（3750 BC年）
Recognized as an element by	Antoine Lavoisier (1789)
物理性质
状态	固態
密度（接近室温）	非晶體: 1.8–2.1 g·cm−3
密度（接近室温）	鑽石: 3.515 g·cm−3
密度（接近室温）	石墨: 2.267 g·cm−3
升华点	3915 K，3642 °C，6588 °F
三相点	4600 K（4327°C），10800 kPa
熔化热	117 (石墨) kJ·mol−1
比热容	6.155 (鑽石); 8.517 (石墨) J·mol−1·K−1
原子性质
氧化态	4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3, −4
电负性	2.55（鲍林标度）
电离能; （更多）	第一：1086.5 kJ·mol−1
	第二：2352.6 kJ·mol−1
	第三：4620.5 kJ·mol−1
共价半径	77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
范德华半径	170 pm
杂项
晶体结构	六方最密
	簡單立方
磁序	抗磁性
热导率	900-2300 (鑽石); 119-165 (石墨) W·m−1·K−1
膨胀系数	（25 °C）0.8 (鑽石) µm·m−1·K−1
声速（细棒）	（20 °C）18350 (鑽石) m·s−1
杨氏模量	1050 (鑽石) GPa
剪切模量	478 (鑽石) GPa
体积模量	442 (鑽石) GPa
泊松比	0.1 (鑽石)
莫氏硬度	10 (鑽石); 1-2 (石墨)
CAS号	7440-44-0
最稳定同位素
	主条目：碳的同位素
	查; 论; 编;

提示：本条目的主题不是煤炭或木炭。

自然界中的碳循环。黑色数字表示碳的蕴藏量，单位为十亿吨（“GtC”是“gigatons of carbon”的缩写。约为2004年数据）。紫色数字表示碳每年的流动量。图中的“沉积物”不包括碳酸盐及岩干酪根（数量约为7千万GtC）。

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。

性状 [编辑]

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碳同素異形體的形式存在：

石墨
石墨烯
钻石（金刚石）
富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯，化学式为C₆₀）
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）
藍絲黛爾石（Lonsdaleite，与钻石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）
蠟石（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）
汞黝矿结构（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）
碳纤维（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，类似于熟知的硅气凝胶）
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，有铁磁性）

最常见的两种单质是高硬度的钻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 [编辑]

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，其餘的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達五千多年，其他的均全不足半小時。

在地球的自然界裡，碳12在所有碳的含量佔98.93%，碳13則有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 [编辑]

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个轨道裡，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sp²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 $\Pi_n^n$ 。

化合物 [编辑]

碳的化合物中，只有以下化合物属于无机物：

碳的氧化物：一氧化碳、二氧化碳、二氧化三碳、一氧化二碳
碳酸盐、碳酸氢盐
氰一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐：氰、氧氰、硫氰
金屬碳化物：例如碳化鵭、碳化鈣
二硫化碳
同族碳化物：例如碳化硅

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 [编辑]

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 [编辑]

钻石

石墨

金刚石和石墨史前人类就已经知道。富勒烯(足球烯)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于1940年被发现。

名稱由來 [编辑]

英文名稱carbon來自由拉丁文carbo(木炭)轉化的法文carbone，德文名稱則直接稱之Kohlenstoff(木炭的物質)；日文與韓文便自此將之意譯為「炭素」。

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。

单质的精炼 [编辑]

钻石 [编辑]

主条目：钻石

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 [编辑]

主条目：石墨

通常產於變質岩中，是煤或碳質岩石（或沉積物）受到區域變質作用或岩漿侵入作用形成。

用途 [编辑]

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铅芯。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。由於石墨的分子間只有微弱的范德華引力，所以它們容易滑動，適合用來作潤滑劑，而石墨處於高溫時不容易揮發，所以適合在掘隧道時使用。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。

注释 [编辑]

参考文献 [编辑]

^ History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky. Caer.uky.edu. [2008-09-12].
^ Senese, Fred. Who discovered carbon?. Frostburg State University. 200-09-09 [2007-11-24].
^ Lide, D. R.., CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th, Boca Raton (FL): CRC Press. 2005, ISBN 0-8493-0486-5
^ Haaland, D. Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon. Carbon. 1976, 14 (6): 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
^ Savvatimskiy, A. Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003). Carbon. 2005, 43 (6): 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
^ Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP. [2007-12-06].
^ Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical. [2007-12-06].
^ Carbon: Binary compounds. [2007-12-06].
^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
^ ^10.0 ^10.1 ^10.2 ^10.3 ^10.4 Properties of diamond, Ioffe Institute Database

外部链接 [编辑]

洛斯阿拉莫斯国家实验室
EnvironmentalChemistry.com —— 碳（英文）

参见 [编辑]

[1] History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky. Caer.uky.edu. [2008-09-12].

[2] Senese, Fred. Who discovered carbon?. Frostburg State University. 200-09-09 [2007-11-24].

[CRC-3] Lide, D. R.., CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th, Boca Raton (FL): CRC Press. 2005, ISBN 0-8493-0486-5

[triple2-4] Haaland, D. Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon. Carbon. 1976, 14 (6): 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.

[triple3-5] Savvatimskiy, A. Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003). Carbon. 2005, 43 (6): 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.

[6] Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP. [2007-12-06].

[7] Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical. [2007-12-06].

[8] Carbon: Binary compounds. [2007-12-06].

[9] Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.

[ioffe-10] 10.0 ^10.1 ^10.2 ^10.3 ^10.4 Properties of diamond, Ioffe Institute Database

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