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6C
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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  · C · 6
元素类别 非金屬
 · 週期 · 14 · 2 · p
标准原子质量 12.011(1)
电子排布 [氦] 2s2 2p2
2, 4
碳的电子层(2, 4)
历史
发现 Egyptians and Sumerians[1](3750 BC年)
Recognized as an element by Antoine Lavoisier[2] (1789)
物理性质
状态 固態
密度(接近室温 非晶體:[3] 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[4][5] 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[6], 2, 1[7], 0, −1, −2, −3, −4[8]
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[9]
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)[10] µm·m−1·K−1
声速(细棒) (20 °C)18350 (鑽石) m·s−1
杨氏模量 1050 (鑽石)[10] GPa
剪切模量 478 (鑽石)[10] GPa
体积模量 442 (鑽石)[10] GPa
泊松比 0.1 (鑽石)[10]
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
同位素 丰度 半衰期 DM DEMeV DP
11C 人造 20 β衰变 0.96 11B
12C 98.9% 12C带6个中子稳定
13C 1.1% 13C带7个中子稳定
14C 微量 5730 β衰变 0.15 14N
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)。

是一种非金属元素,位于元素周期表第二周期IVA族。它的化学符号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。

目录

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碳13屬穩定型,其餘的均帶放射性,當中碳14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。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

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]

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,从字音。

单质的精炼 [编辑]

钻石 [编辑]

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]

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]

  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]. 
  3. ^ Lide, D. R.., CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th, Boca Raton (FL): CRC Press. 2005, ISBN 0-8493-0486-5 
  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. 
  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.
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 Properties of diamond, Ioffe Institute Database

外部链接 [编辑]


参见 [编辑]