6 硼 ←碳 →氮 - ↑  C ↓  Si 元素周期表
一般
名称，符号，数字	碳，C，6
化学系列	非金属
集团，期间，块	14,2，p
出现	黑色（石墨） 无色（钻石）
原子质量	12.0107（8）g / mol
电子配置	1s 2 2s 2 2p 2
每壳电子	2,4
物理特性
相	固体
密度（rt附近）	（石墨）2.267克/厘米3
密度（rt附近）	（菱形）3.513克/立方厘米
熔点	？三重点，约 10 MPa  和（4300-4700）K （？° C，？° F）
沸点	subl。？约 4000 K （？° C，？° F）
熔化热	（石墨）？100 kJ / mol
熔化热	（钻石）？120 kJ / mol
蒸发热	？355.8 kJ / mol
热容量	（25°C）（石墨） 8.517 J /（mol·K）
热容量	（25°C）（钻石） 6.115 J /（mol·K）
蒸气压（石墨） P / Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 在T / K.   2839 3048 3289 3572 3908
原子特性
水晶结构	六角形
氧化状态	4，2  （轻度酸性氧化物）
电负性	2.55（鲍林规模）
电离能量 （更多）	1：1086.5千焦/摩尔
	第2次：2352.6千焦/摩尔
	第3次：4620.5kJ / mol
原子半径	晚上70点
原子半径（计算值）	下午67点
共价半径	晚上77点
范德瓦尔斯半径	下午170点
杂
磁性排序	抗磁性
导热系数	（300 K）（石墨） （119-165）W /（m·K）
导热系数	（300 K）（钻石） （900-2320）W /（m·K）
热扩散系数	（300 K）（菱形） （503-1300）mm²/ s
莫氏硬度	（石墨）0.5
莫氏硬度	（钻石）10.0
CAS注册号	7440-44-0
着名的同位素
主要文章：碳的同位素 异 NA 半衰期 DM DE （MeV） DP 12 C 98.9％ C对6个中子稳定 13 C. 1.1％ C对7个中子稳定 14 C 跟踪 5730 ÿ 测试版- 0.156 14 N.

碳（化学符号C ;原子序数6）是一种非凡的化学元素，在生物和非生物世界的结构和过程中起着至关重要的作用。没有它，我们的物质存在和其他有机体的存在是不可能的。它的不同形式包括石墨，一种最软的物质，以及金刚石，这是最硬的天然材料。众所周知，碳是各种化合物的一部分，包括在太阳，恒星和行星 大气中发生的一些化合物。我们使用碳化合物作为燃料，并合成各种材料，如塑料，油漆，纺织品和药品。研究人员正在研究新形式碳的使用，称为富勒烯，导致纳米技术的发展领域。

粗心地处理油漆，塑料和其他含碳材料污染了环境，滥用药物造成了不必要的痛苦和痛苦。这种做法表明对自然界的价值观和原则的理解不充分。虽然目前正在努力清理环境和打击药物滥用，但人类也需要恢复其价值观，以防止这些问题再次发生。

发生

碳是一种丰富的非金属，自史前时就已为人所知。早期的人们通过在氧气不足的情况下燃烧有机材料（例如木材）以木炭的形式生产它。

碳的名称来自法语单词charbone，而后者又来自拉丁语carbo，意思是木炭。在德国和荷兰，碳的名称分别是Kohlenstoff和koolstof，两者的字面意思是“ 煤炭 ”。

纯碳可以以称为同素异形体的各种形式存在，例如石墨和金刚石。此外，碳可以与其自身和各种其他元素结合形成化合物。

在地球上，碳及其化合物广泛分散在空气，水和土地中。它们也存在于太阳和恒星中，人们认为碳原子首先是由核反应形成的 - 特别是三颗α粒子（氦原子核）在恒星内部的碰撞。此外，碳以发现彗星，并且在大多数的大气压的行星在太阳系。一些陨石含有可能在太阳系处于形成阶段时产生的微观钻石。

在美国，在纽约和德克萨斯州大量发现石墨。它在俄罗斯，墨西哥，格陵兰和印度也很丰富。

天然钻石出现在古代火山颈或管道中的矿物金伯利岩中。大多数钻石矿床位于非洲，特别是南非，纳米比亚，博茨瓦纳，刚果共和国和塞拉利昂。其他矿床已在阿肯色州，加拿大，俄罗斯北极，巴西以及北澳大利亚和西澳大利亚州发现。

分类为富勒烯的其他同素异形体碳在20世纪80年代被发现作为分子束实验的副产物。

显着特征

对于碳的化学符号是Ç，其原子序数（质子的每个原子的原子核数）为6的各个碳原子是能够形成强的化学键，称为共价键，与多达四个原子。因此据说碳是四价的。

碳具有所有元素的最高熔点/升华点。如果在大气压下加热，碳不会熔化，而是在4000K以上升华（固体形式蒸发）。因此，碳在高温下仍然比熔点最高的金属（包括钨和铼）保持固态。

具有特别高表面积的碳被称为活性炭或活性炭。它是通过在高温下用某些酸或气体处理木炭（或其他富含碳的材料）而生产的。它可以吸附（在其表面吸收）各种材料，因此可用于去除水和空气中的污染物。

同位素

碳具有两种稳定的天然存在的同位素：碳-12（12 C）和碳-13（13 C），相对丰度分别为约98.9％和1.1％。1961年，国际纯粹与应用化学联合会采用同位素碳-12作为原子量的基础。

一个天然存在的放射性同位素，碳-14（14 C），具有半衰期的大约5730年。其他十二种放射性同位素是人工生产的。其中，最短寿命为8 ℃，半衰期约为1.987×10 -21秒。

同素异形体

碳可以以称为同素异形体的不同结构状态存在。两种着名的同素异形体是石墨，一种最软的物质，和钻石，最硬的天然矿物质。

石墨具有晶体结构，其中碳原子排列成平板层。每个片由六边形（六元）环的网络组成，其中每个碳原子与三个其他原子键合。虽然每张纸都非常稳定，但它与相邻的纸张松散地相互作用，因此它们可以很容易地相互滑过。

金刚石在地球上以非常高的压力形成，采用不同的晶体结构。每个碳原子与另外四个碳原子键合，它们一起形成围绕中心碳的四面体形状。整体结构是褶皱的六元碳原子环的三维网络。以这种方式，无论大小如何，每个金刚石晶体都可以被认为是单个碳原子分子。在室温下，金刚石晶体经历极慢的石墨过渡。

金刚石和石墨具有某些截然相反的特征。钻石透明而坚硬; 它可作为优良的电绝缘体，可用作磨料。相比之下，石墨是不透明和柔软的。它导电，是一种很好的润滑剂。金刚石在立方体系中结晶，但石墨在六方晶系中结晶。

缺乏整体晶体结构的碳被称为无定形碳。尽管可以生产完全无定形（非结晶）的碳，但被描述为无定形的材料通常包括石墨或金刚石的小晶体。无定形碳是木炭，烟灰（碳黑或炭黑）和活性炭的主要成分。

此外，已经合成或发现了几种外来的同素异形体，包括富勒烯，碳纳米管，lonsdaleite，碳纳米泡沫和聚集的金刚石纳米棒。这些同素异形体中的碳原子具有不同的结构排列。

富勒烯由以六角形和五角形环连接在一起的碳原子片组成，以获得空心球或椭球的整体形式。球形富勒烯也称为巴基球。最着名的巴克球是Buckminsterfullerene（每个球体含有60个碳原子），以开发球形圆顶的建筑师Richard Buckminster Fuller的名字命名。

碳纳米管同样由以六边形和五边形环连接的碳原子片组成，但整体形状是空心圆柱体。有时被称为buckytube，它被归类为富勒烯碳化合物家族的一部分。

当流星石墨落到地球时，人们认为形成了Lonsdaleite 。的影响的热和压力变换成石墨类似于金刚石的结构，但石墨的六方晶体晶格将被保留。也称为六角形钻石，lonsdaleite是透明的并且呈棕黄色。

1997年，澳大利亚科学家意外地生产了碳纳米泡沫*。它由低密度的碳原子团簇组成，这些碳原子团以六元和七元环键合。令人惊讶的是，该材料被磁铁吸引并且可以在低于-183℃的温度下被磁化。

聚集的金刚石纳米棒（ADNR）比金刚石更致密和更硬，并且它们似乎是人类已知的最不可压缩的材料。它们于2005年由德国的物理学家生产，他们在20 GPa的压力下压缩碳-60分子，同时将材料加热到2500 K.

碳化合物

每个碳原子可以与其他碳原子和各种其他元素形成共价键- 最常见的是与氢，氧，氮和氯。通过这样做，碳形成稳定的化合物，其由直链和支链以及环状分子组成。

科学家们已经知道了将近1000万种碳化合物，并且会定期合成新化合物。碳化合物构成所有已知化合物的绝大多数。大多数碳化合物被归类为有机化合物，它们构成了有机化学领域的基础。

当仅与氢结合时，碳形成各种烃，包括甲烷，丙烷，丁烷，苯和萘。天然碳氢化合物来源是煤，石油和天然气。

当单独与氧结合时，碳形成二氧化碳（CO 2），一氧化碳（CO）和不常见的低碳氧化物C 3 O 2。地球大气中的二氧化碳对于植物进行光合作用至关重要，而且作为温室气体，它有助于保持太阳的热量，并保持我们的星球足够温暖以维持生命。一氧化碳是由不完全燃烧形成的无色，无味，剧毒的气体。

当与氧和氢连接时，碳形成各种类型的化合物，包括分类为醇，酯，醛，酮和羧酸的化合物。

成千上万的碳化合物 - 包括碳水化合物，脂肪，蛋白质和核酸 - 在生命系统中产生和使用。其他化合物 - 特别是钙，镁和铁等金属的碳酸盐- 是岩石的主要成分，包括石灰石，白云石和大理石。

在特殊情况下，碳以阴离子的形式存在。对于诸如钨的活性金属，碳形成碳化物（C -）或乙炔化物（C 2 2-）以形成具有非常高熔点的材料。另一方面，一些碳化物，例如碳化硅（SiC），是通过共价键结合在一起的晶格。

应用

碳及其化合物在天然和人工系统中都发挥着重要作用。所有已知生物的结构和功能都依赖于碳化合物。下面列出了碳及其化合物的一些人类用途。

• 钻石，稀有而有吸引力，长期以来一直用于珠宝。鉴于它们的极高硬度，它们也可用于钻头和其他工业应用。
• 石墨与粘土结合形成铅笔中使用的“铅”。
• 在被称为木炭的多孔结块形式中，碳用于烹饪和艺术品。
• 将碳添加到铁中以制造钢。
• 碳被用作核反应堆中的中子慢化剂。
• 活性炭用于从自然界和工业过程中去除空气和水流中的污染物。它还用于医学中以吸收消化系统中的毒素或毒素。
• 同位素碳-14广泛用于含碳材料的放射性测年。
• 富勒烯和碳纳米管在纳米技术的新生领域具有许多潜在用途。然而，纳米颗粒可能是有毒的。
• 主要由碳氢化合物组成的天然气和石油（或原油）是重要的燃料来源。
• 来自石油的各种材料用于合成诸如塑料的新物质。

注意事项

碳及其化合物通常是安全的材料，但也有一些例外。例如，大量吸入细烟灰可能是危险的。此外，碳可能在非常高的温度下着火并剧烈燃烧。一些碳化合物，如一氧化碳和氰化物（CN -），是致命的有毒物质。

碳循环

碳在环境中所遵循的路径统称为碳循环。它通常被认为是涉及四个储层的碳交换过程：地球大气层，陆地生物圈（包括淡水系统），海洋和沉积物（包括化石燃料）。储层之间的碳交换是各种化学，物理，地质和生物过程的结果。

在全球碳预算是的碳库间或碳循环的一个特定环内的碳交易（收入和损失）的平衡。储层的碳预算可以提供关于储层是否充当二氧化碳源或汇的信息。

 

通过非生物过程进行碳交换

几个非生物过程涉及储层之间的碳交换。其中一些过程如下。

• 石灰石和大理石的沉积物主要由碳酸钙组成。由于这些岩石被水（特别是酸性水）侵蚀，碳酸钙被分解形成二氧化碳和碳酸等。
• 当石灰石被加热以产生水泥和石灰（氧化钙）时，产生大量的二氧化碳。
• 在靠近两极的海洋表面，水变冷，从空气中溶解二氧化碳。
• 在海洋表面，在水变暖的区域，溶解的二氧化碳被释放回大气中。
• 火山爆发将各种气体释放到大气中，包括水蒸气，二氧化碳和二氧化硫。
• 燃烧化石燃料 - 如煤，石油产品和天然气 - 将二氧化碳和碳颗粒释放到空气中。

 

涉及生物过程的碳交换

生物有机体在碳循环中起着重要作用，如下所述。

• 某些生物，称为自养生物，在外部能源存在下使用来自空气或水的二氧化碳生成有机化合物。大多数情况下，能量来源是太阳辐射，这个过程称为光合作用 ; 但是少数自养生物利用化学能源，这个过程叫做化学合成。碳循环中涉及的主要自养生物是陆地上的树木和海洋中的浮游植物。
• 许多生物，称为异养生物，以其他生物或其部分（如水果）为食。异养生物的实例是以植物和其他动物为食的动物。其他异养生物是真菌和细菌，它们吸收死有机物质（碎屑）用于发酵或腐烂过程。
• 大多数碳通过呼吸离开陆地生物圈。在有氧气的情况下，有氧呼吸会释放出二氧化碳; 在没有氧气的情况下，无氧呼吸会释放出甲烷。这些气体最终进入空气或水中。
• 当死有机物质（如泥炭）结合在地圈中时，碳也可能离开陆地生物圈。特别是，动物壳（由碳酸钙制成）最终可能通过沉降过程变成石灰石。

也可以看看

• 有机化学
• 石墨
• 钻石
• 富勒烯

参考

• 张，雷蒙德。2006. 化学。第9版。纽约，纽约：麦格劳 - 希尔科学/工程/数学。ISBN 0073221031。
• Cotton，F。Albert和Geoffrey Wilkinson。1980. 高级无机化学。第4版。纽约，纽约：威利。国际标准书号0-471-02775-8。
• Greenwood，NN和A. Earnshaw。1998. 元素化学。第2版​​。英国牛津; 马萨诸塞州伯灵顿：Butterworth-Heinemann，Elsevier Science。ISBN 0750633654。提供在线版本在这里。检索2007年8月11日。
• Janzen，HH 2004.地球系统中的碳循环 - 土壤科学观点。农业，生态系统和环境 104：399-417。

(责任编辑：活性炭网) 织梦二维码生成器