二十六碳
简介编辑本段
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。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。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。
基本信息编辑本段
| 属性 | 值 |
|---|---|
| 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 | 4.58 cm3/mol |
| 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 | 1s22s22p2 |
| 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 | 5.29×10-6 m3/mol |
| 元素在太阳中的含量 | 3000 ppm |
| 元素在海水中的含量 | 太平洋表面 23 ppm |
| 元素在地壳中含量 | 4800 ppm |
| 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 | C-H 411 kJ/mol, C-C 348, C=C 614, C≡C 839, C=N 615, C≡N 891, C=O 745, C≡O 1074 |
| 晶胞参数 | a = 246.4 pm, b = 246.4 pm, c = 671.1 pm, α = 90°, β = 90°, γ = 120° |
| 电离能 | M-M+ 1086.2 kJ/mol, M+-M2+ 2352, M2+-M3+ 4620, M3+-M4+ 6222, M4+-M5+ 37827, M5+-M6+ 47270 |
| 单质密度 | 3.513 g/cm3(金刚石), 2.260 g/cm3(石墨，20 ℃) |
| 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) |
成键方式编辑本段
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。
同位素编辑本段
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。
单质碳的形式编辑本段
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。
碳元素的化合物编辑本段
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。
分布编辑本段
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。
发现史编辑本段
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。
参考资料编辑本段
- 百度百科. 碳. (https://baike.baidu.com/view/23998.htm).
- Greenwood, N. N., & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann.
- Kroto, H. W., Heath, J. R., O'Brien, S. C., Curl, R. F., & Smalley, R. E. (1985). C60: Buckminsterfullerene. Nature, 318(6042), 162-163.
- Libby, W. F. (1955). Radiocarbon Dating (2nd ed.). University of Chicago Press.
- 李炳瑞. (2014). 普通化学原理 (第4版). 高等教育出版社.
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