碳

碳的特性

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总体特性
名称、符号、序号	碳、C、6
系列	非金属
族、周期、元素分区	14族(IVA)、2、p
密度、硬度	2267 kg/m3、 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	0.03%
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	[氦]2s22p2
电子在每能级的排布	2，4
氧化价（氧化物）	4，2（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（抗磁性）
熔点	3773 K（3550 °C）
沸点	5100 K（4827 °C）
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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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。

外部链接

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

参见

• 化学
• 元素周期表 - 元素列表 - 同位素列表
• 第2周期元素 - 碳族元素 - 非金属 - p区元素
• 碳同素異形體 - 无定形碳 - 钻石 - 石墨 - 炭黑
• 碳-14
• 有机化学 - 有机物