碳

化学元素解释：

性质

化学符号：C

元素原子量：12.01

质子数：6

原子序数：6

周期：2

族：IVA

电子层分布：2-4

原子体积：4.58cm3/mol

原子半径：70(67)pm

共价半径：77pm

范德华半径：170pm

电子构型：1s22s22p2

电子在每能级的排布：2，4

氧化价(氧化物)：4，3，2(弱酸性)

颜色和外表：黑色(石墨)，无色(金刚石)

物质状态：固态

物理属性：反磁性

熔点：约为3550℃(金刚石)

沸点：约为4827℃(升华)

摩尔体积：5.29×10-6m3/mol

元素在太阳中的含量：(ppm)3000

元素在海水中的含量：(ppm)太平洋表面23

元素在地壳中含量：、(ppm)4800

莫氏硬度：石墨1-2，金刚石10

氧化态：主要为-4,，C+2，C+4(还有其他氧化态)

化学键能：(kJ/mol)C-H411C-C348C=C614C≡C839C=N615C≡N891C=O745C≡O1074

晶胞参数：a=246.4pmb=246.4pmc=671.1pmα=90°β=90°γ=120°

电离能：(kJ/mol)M-M+1086.2M+-M2+2352M2+-M3+4620M3+-M4+6222M4+-M5+37827M5+-M6+47270

单质密度：3.513g/cm3(金刚石)、2.260g/cm3(石墨，20℃)

电负性：2.55(鲍林标度)

比热：710J/(kg·K)

电导率：0.061×10-6/(米欧姆)

热导率：129W/(m·K)第一电离能1086.5kJ/mol、第二电离能2352.6kJ/mol、第三电离能4620.5kJ/mol、第四电离能6222.7kJ/mol、第五电离能37831kJ/mol、第六电离能47277.0kJ/mol/。

简介

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。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。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。

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;在卤素中只有氟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。

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。

形式介绍

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。

1、金刚石(diamond)

最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。

2、石墨(graphite)

石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，层与层只见键合比较脆弱，因此层与层之间容易被滑动而分开。

3、富勒烯(fullerene)

1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。

4、其他碳结构

无定形碳：(Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨)

碳纳米管：(Carbonnanotube)

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)

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)

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)

纤维碳：(Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维)

碳气凝胶：(Carbonaerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶)

碳纳米泡沫：(Carbonnanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性)

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、硫化物：一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二硫化碳(CS2)、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(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。

性状与成键

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：

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。

分布与发现

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。

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。