碳是什么？
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帖子主题:碳元素介绍？
楼主:shaoys？[2006-3-18?下午？02:49:53]
碳元素的引入
碳，碳，来自carbo，即木炭。这种物质很早就发现了。上图是它的三种自然形态:钻石、木炭、石黑。无数的碳化合物是我们日常生活中不可缺少的物质。产品范围从尼龙和汽油、香水和塑料到鞋油、DDT和炸药。
碳的发现简史
碳可以说是人类最早接触到的元素之一，也是人类最早使用的元素之一。自从人类出现在地球上，就一直与碳接触。因为闪电烧木头会留下木炭，动物被烧死后，骨碳会残留。在人类学会生火之后，碳就成了人类永久的“伙伴”，所以碳是一种自古以来就为人所知的元素。碳发现的确切日期无从考证，但从拉瓦锡？答？l？从1743—1794法国)1789编制的元素表可以看出，碳是作为一种元素出现的。碳在古代燃素理论的发展中起了重要作用。根据这个理论，碳不是一种元素，而是一种纯粹的燃素。因为研究了煤和其他化学物质的燃烧，拉瓦锡首先指出碳是一种元素。
自然界中有三种碳的同素异形体——金刚石、石墨和C60。金刚石和石墨早已为人所知。拉瓦锡做了燃烧钻石和石墨的实验后，确定这两种物质都会产生CO2，并由此得出结论:钻石和石墨含有相同的“基础”，即碳。是拉瓦锡第一个把碳列入元素周期表。C60是在1985年由美国休斯敦莱斯大学的化学家哈里·克劳特发现的。它是由60个碳原子组成的球形稳定碳分子，是碳的第三种同素异形体，仅次于金刚石和石墨。
碳的拉丁名称来源于单词Carbon，意思是“煤”。最早出现在1787年拉瓦锡等人主编的《化学命名法》一书中。碳的英文名是Corbon。
元素碳
地壳中碳的质量分数为0.027%，在自然界广泛分布。化合物形式的碳包括煤、石油、天然气、动植物、石灰石、白云石、二氧化碳等。
截止到1998年底，全球最大的化学文摘《美国化学文摘》登记的化合物总数为1880万，其中绝大部分是碳化合物。
众所周知，生命的基本单位氨基酸和核苷酸都是以碳为骨架构成的。先是一段碳链被延长，进化成蛋白质和核酸；然后进化成原始的单细胞，再进化成昆虫、鱼、鸟、兽、猴、猩猩，甚至人类。这部三四十亿年生命交响曲的主题是碳的化学进化。可以说没有碳就没有生命。碳是生命世界的支柱。
纯碳有三种，即金刚石、石墨和C60。它们是碳的三种同素异形体。
钻石
石墨
碳六十
钻石
钻石是自然界中最坚硬的矿物，因为它晶莹美丽，光彩夺目。在所有物质中，它是最硬的。测量物质硬度的表征方法规定金刚石的硬度为10来测量其他物质的硬度。比如铬的硬度是9，铁是4.5，铅是1.5，钠是0.4。在所有单质中，它的熔点最高，达到3823K。
金刚石晶体属于立方晶系，是典型的原子晶体。每个碳原子通过sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成* * *价键，形成正四面体。这是金刚石面心立方晶胞的结构。
因为金刚石晶体中的C-C键非常强，所有价电子都参与价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅坚硬，熔点高，而且不导电。
在常温下，钻石对所有化学试剂都是惰性的，但在空气中加热到1100K左右，就能燃烧成CO2。
钻石，俗称钻石，不仅用作装饰，还主要用于制造钻头和磨具。它是一种重要的现代工业原料，价格非常昂贵。
石墨
石墨又黑又软，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石低，熔点只比金刚石低50K，是3773K。
在石墨晶体中，碳原子通过sp2杂化轨道与三个相邻碳原子形成* * *价单键，形成六角网络结构，这些网络结构连接成片状结构。层中的每个碳原子保持不参与sp2杂化的P轨道，并且有一个不成对的P电子。同一层的这个碳原子中的M电子形成了M中心的M电子的大∏键(键)。这些离域电子可以在碳原子的整个平面层内移动，因此石墨在层方向具有良好的导电性和导热性。
石墨的层是通过分子间力结合在一起的，所以石墨容易在平行于层的方向上滑动和开裂。石墨柔软光滑。
因为石墨层中有自由电子，所以石墨的化学性质比金刚石稍微活跃一些。
石墨广泛用于制造电极、高温热电偶、坩埚、刷子、润滑剂和铅笔芯，因为它具有导电性、化学惰性、耐高温以及易于成型和加工。
碳六十
20世纪80年代中期，人们发现了碳的第三种同素异形体——C60。我们从以下三个方面介绍C60。
碳六十的发现及其结构特征
C60的制备
碳六十的使用
碳六十的发现及其结构特征
1996 10 10月7日，英国皇家瑞典学院科学委员会决定将1996诺贝尔化学奖授予罗伯特？FCurl，Jr(美国)，哈罗德？WKroto(英国)和理查德？埃斯马利(美国)发现C60。
1995年9月初，Kroto等人为了模拟N型红巨星附近大气中碳团簇的形成过程，进行了石墨的激光气化实验。他们从获得的质谱图中发现，有一系列由偶数个碳原子组成的分子，其中一个峰比其他峰强20-25倍，这个峰的质量数对应于由60个碳原子组成的分子。
C60分子是什么样的结构稳定？层状石墨和四面体金刚石是碳的两种稳定形式。当60个碳原子排列在其中任何一个的时候，都会有很多悬空键，会很活跃，不会表现出这么稳定的质谱信号。这说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于建筑师巴克明斯特的影响？受富勒的由五边形和六边形组成的拱形圆顶建筑的启发，克罗托等人认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成。只有这样，C60分子才能没有悬挂键。
在C60分子中，每个碳原子通过sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子相连，剩余的不参与杂化的P轨道在C60球壳外围和内腔形成球形大键，从而具有芳香性。为了纪念富勒，他们提出用巴克敏斯特富勒烯命名C60，后来把包括碳数为偶数的C60在内的所有分子都称为富勒，中文翻译为富勒烯。
C60的制备
以纯石墨为电极时，在氦气气氛中放电，电弧中产生的烟尘沉积在水冷堆内壁上。这种烟灰中含有C60和C70等碳原子的混合物。
通过萃取从烟灰中分离和纯化富勒烯。将烟灰放入索氏提取器中，用甲苯或苯提取。提取物中的主要成分是C60和C70，以及少量的C84和C78。通过用液相色谱分离提取物可以获得纯的C60溶液。C60溶液呈紫红色，蒸发溶剂可得到暗红色的C60微晶。
碳六十的使用
自C60发现十多年以来，富勒烯广泛影响了物理学、化学、材料科学、电子学、生物学和医学，极大地丰富和完善了科学理论，也展现出巨大的潜在应用前景。
据报道，C60分子被掺杂，使得C60分子捕获其笼内或笼外的其他原子或基团，形成类似C60的衍生物。比如C60F60就是将C60分子充分氟化，在C60球面上加入氟原子，将所有电子“锁”在C60球壳中，使其不与其他分子结合。因此，C60F60表现出不易粘附其他物质，润滑性优于C60，可作为超耐高温润滑剂，被视为“分子球”。再比如，在C60分子的笼中掺杂K、Cs、Tl等金属原子，可以使其具有超导性能。用这种材料制成的马达可以用很少的电保持转子转动。此外，C60H60是一种分子量相对较大的碳氢化合物，热值极高，可用作火箭燃料。等一下。
碳的键合特性
碳属于元素周期表中ⅳ a族的第一种元素，位于非金属性最强的卤族元素和金属性最强的碱金属之间。其价电子层结构为2s22p2。在化学反应中，不容易失去电子和获得电子，也很难形成离子键，而是形成独特的价键，其最高价数明显为4。
碳原子sp3杂化
碳原子的Sp2杂化
碳原子sp杂化-1
碳原子sp杂化物-2
碳原子sp3杂化
碳原子的Sp3杂化可以生成四个δ键，形成正四面体构型。如金刚石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。
甲烷分子中，C原子和4个H原子的4个sp3杂化轨道生成4个δ * * *价键，分子构型为正四面体结构。
碳原子的Sp2杂化
碳原子Sp2杂化产生3个δ键，1 ∏键，平面三角形构型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。
在COCl2 _ 2分子中，C原子通过3个sp2杂化轨道分别与2个Cl原子和1个O原子生成1 δ * *价键，1个P轨道上的P电子与未参与杂化的P轨道中未配对的P电子O原子生成一个∏ * *价键，所以
碳原子sp杂化-1
生成两个δ键和两个∏键，构型为线性。例如CO2、HCN、C2H2等。
在CO2分子中，C原子通过两个sp杂化轨道与两个O原子形成两个δ * *价键，两个非杂化P轨道上的两个P电子和两个O原子对称的两个P轨道上的三个P电子形成两个三中心四电子的大∏键，所以CO2是两个双键。
在HCN分子中，C原子分别与H原子和N原子生成1 δ * * *价键，还与N原子生成两个正常的∏ * *价键，所以在HCN分子中是1三键的单键。
碳原子sp杂化物-2
生成1 δ键、1 ∏键、1配位∏键和1孤对电子对，构型为线性。例如，在CO分子中，除了生成一个δ * * *价键和1个正常∏ * *价键外，C原子未参与杂化的1个空P轨道可以接受来自O原子的一对孤电子对形成配位键，因此CO分子中C和O之间有三个键。
碳原子不仅可以形成单键、双键和三键，还可以形成长直链、环状链、支链等。纵横交错，变化无穷，再加上氢、氧、硫、磷和金属原子，构成了种类繁多的碳化合物。
二氧化碳
CO2是一种无色无味的气体，在大气中约占0.03%，在海洋中约占0.014%。它也存在于火山喷射气体和一些泉水中。地面的CO2气体主要来源于煤、石油、天然气等含碳化合物的燃烧、碳酸钙矿石的分解、动物的呼吸和发酵过程。当太阳光穿过大气层时，CO2吸收波长为13~17nm的红外线，就像给地球覆盖了一层巨大的塑料薄膜，使温暖的红外线不流失，使地球成为昼夜温差很小的温室。二氧化碳的温室效应为生命提供了舒适的生活环境。它还提供生命的基本物质，是绿色植物光合作用的原料。每年通过光合作用，绿色植物转化15？000亿吨碳，转化为纤维素、淀粉和蛋白质，并释放出O2气体供动物和人类食用。
绿色植物一直维持着大气中O2和CO2的平衡，但近年来，随着世界工业的快速发展和由此产生的海洋污染，大气中的CO2越来越多，估计每年增加百万分之二到四。这被认为是影响世界气温普遍上升的一个重要因素。
关于CO2，我们从它的结构、性质和制备来介绍:
二氧化碳的结构
二氧化碳的性质
二氧化碳的制备
二氧化碳的结构
在CO2分子中，碳原子通过sp杂化轨道与氧原子结合。
c原子的两个sp杂化轨道分别与一个o原子生成两个δ键。C原子上的两个未杂化的P轨道与sp杂化轨道成直角，分别与氧原子的P轨道并排重叠，形成两个三中心四电子的离域键。因此，碳氧原子之间的距离缩短，CO2中的碳氧键具有一定程度的三键特征。分子形状由sp杂化轨道决定，CO2是线性分子。
二氧化碳的性质
CO2分子没有极性，所以分子间作用力小，沸点低，键能大，原子间相互作用强，分子热稳定性高。比如在2273K，CO2只分解了1.8%:
CO2临界温度高，在压力下容易液化，液态CO2的汽化热很高，在217K时为25.1kJ·mol-1。液态CO2自由蒸发时，一部分CO2凝结成雪花状固体，俗称“干冰”。这是一种分子晶体。在常压下，干冰在194.5K不融化直接升华气化，所以常用作制冷剂。
CO2是一种酸性氧化物，可与碱发生反应。在工业上，生产纯碱Na2CO3、小苏打NaHCO3、碳酸氢铵NH4HCO3、铅白颜料Pb (OH) 22pcbco3、啤酒、饮料、干冰等都要消耗大量的CO2。
一般来说，CO2不支持燃烧，当空气中CO2含量达到2.5%时，火焰就会熄灭。因此，CO2是目前广泛使用的灭火剂。而燃烧的镁条在CO2气体中能继续燃烧，说明CO2不支持燃烧是相对的。
CO2不活泼，但在高温下能与碳或镁、铅等活泼金属反应；
CO2虽然无毒，但如果空气中含量过高，也会使人因缺氧而窒息。进入地窖时，人们应该手持一支燃烧的蜡烛。如果蜡烛熄灭，说明地窖内CO2浓度过高，暂时不适合进入。
二氧化碳的制备
工业上煅烧石灰石可用于生产石灰，酿酒工业可获得大量的CO2副产品。
在实验室中，碳酸盐和盐酸通常用于制备CO2:
一氧化碳
一氧化碳也是一种无色无味的气体。介绍了它的结构、性能和制备方法。
公司结构
一氧化碳的性质
一氧化碳的制备
公司结构
根据杂化轨道理论，在CO分子中，碳原子采用sp杂化与氧原子成键。
C原子的两个p电子可以与O原子的两个单p电子形成一个δ键和一个ω键，O原子的成对p电子也可以与C原子的一个空2p轨道形成配位键。(配位键的定义:一个原子提供的电子对被两个原子利用形成的价键称为配位键)。←表示配位键，箭头指向接受电子对的原子。这里，成键的电子对仅由O原子提供，C原子提供空的轨道来接受电子。它的结构式可以表示为:
根据分子轨道理论，从CO分子的分子轨道能级图可以看出，C核外有四个价电子，其电子结构式为2s22p2；O核外有六个价电子，其电子结构式为2s22p4。由于C原子和O原子对应的原子轨道能量相近，相互重叠形成CO分子的分子轨道。CO分子的价键结构可以表示为:
[1]式中箭头表示氧单方面为两个原子提供一对电子形成的价键，也叫配位键。
在式[2]中，配位键为∏，两个点在一边，说明电子处于原子态时是在氧原子的轨道上，在CO分子形成后还是比较靠近氧核的。
这种含有配位键的三键结构可以满意地解释键能大、键长和偶极矩几乎等于零的事实。如果没有配位键，CO应该是一个极性很大的分子，因为O原子的电负性远大于C原子，但是配位键的存在使得O原子略带正电，C原子略带负电，两个因素相互抵消，所以CO的偶极矩几乎等于零。
CO分子和N2分子中分别有10个价电子。它们是等电子体，也称为等电子分子。等电子分子的轨道电子排列和成键性质非常相似。
在CO分子中，由于C原子带有轻微的负电荷，这个C原子更容易向其他具有空轨道的原子提供电子对，形成配位键，生成许多羰基化合物。这是CO分子的键能比N2分子的键能更活跃的一个原因。
一氧化碳的性质
(1)和一氧化碳是良好的还原剂。
在高温下，CO可以从许多金属氧化物中获取氧，并还原金属。在冶金工业中使用焦炭作为还原剂，实际上对CO；
在室温下，CO还能还原某些化合物中的金属离子。如CO能使二氯化钯溶液和银氨溶液变黑，反应非常灵敏，可用于检测微量CO的存在；
钴是一种重要的配体，可以与许多过渡金属形成金属羰基化合物。例如Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6。我们以Ni(CO)4为例来说明羰基化合物的成键特性。
在金属羰基化合物中，co以c与金属相连，从CO的分子轨道能级图中，我们已经知道，一方面，CO具有非键电子对(孤电子对)，可以给金属原子空轨道，形成δ配位键。另一方面，CO中存在一个空的反键∏通道，可以接受金属原子的D电子对，与金属原子的D轨道重叠形成∏键。这种∏键被称为反馈键或配位键，因为金属原子单方面向配体(CO)的空轨道提供电子对。反馈键正好可以减少δ配位键形成导致的金属原子上过多负电荷的积累。
羰基化合物中，金属处于低氧化态，价电子较多，有利于反馈键的形成。例如在Ni(CO)4中，Ni原子化合价为零，价电子为3d84s2，Ni原子采用sp3杂化轨道接受CO提供的四个非键电子对形成δ配位键。此外，Ni原子上的D电子对反馈到CO的空反键∏ *轨道，产生反馈键。由于δ配位键和反馈键同时成键，金属和CO生成的羰基化合物具有很高的稳定性。
羰基化合物通常毒性很高。CO对动物和人类的高毒性也来源于它的添加。可与血液中的血红素(一种铁的络合物)结合生成羰基化合物，使血液失去输送氧气的功能，导致组织缺氧。如果血液中50%的血红素与CO结合，会引起心肌坏死。只要空气中有1/800体积比的CO，半小时内就能致人死亡。(1aroman？CO相当活泼，很容易与O、S、H和卤素F2、Cl2、Br2结合。
(1)一氧化碳会在空气中燃烧，产生二氧化碳，并释放大量热量:
②一氧化碳与H2反应生成甲醇和一些有机化合物；
③CO与S反应生成羰基硫；
④CO与卤素F2、Cl2、Br2反应生成碳酰卤，易被水分解，与氨反应生成尿素；
碳酰氯，又称光气，毒性极强。然而，它的产量很大，用于制造甲苯二异氰酸酯，这是生产聚氨酯塑料的中间体。
一氧化碳的制备
实验室制备一氧化碳气体的方法:
(1)，将甲酸滴入热的浓硫酸中脱水；
(2)用浓硫酸加热草酸晶体；
反应产生的混合气体通过固体NaOH吸收CO2，得到纯净的CO气体。
一氧化碳气体的工业制备方法；
工业CO的主要来源是水煤气、发生炉煤气和煤气。
水煤气CO和H2的等分子混合物，当空气和蒸汽交替引入红热的碳层时获得；
发生炉煤气是CO和N2的混合物(CO占体积的一半)，是有限量的空气通过赤热的碳层反应得到的；
气体是一氧化碳、H2、甲烷和二氧化碳的混合物。水煤气、发生炉煤气和煤气都是重要的工业气体燃料。
碳酸和碳酸盐
CO2可溶于水生成H2CO3碳酸盐，h2co 3是一种弱酸，仅存在于水溶液中，pH值约为4。
H2CO3是一种二元酸，能生成碳酸盐和碳酸氢盐两种盐。
在这两个离子中，C原子采用sp2杂化轨道与四个外来电子形成四个键，离子为平面三角形。了解这两种盐在水中的溶解度、水解和热稳定性是很重要的。
溶解度
水解
热稳定性
溶解度
碳酸盐:铵和碱金属(锂除外)的碳酸盐易溶于水。其他金属的碳酸盐不溶于水。例如，(NH4)2CO3、Na2CO3和K2CO3溶于水，而CaCO3和MgCO3不溶于水。
碳酸氢盐:对于不溶性碳酸盐，相应的碳酸氢盐有很大的溶解度。例如，不溶性碳酸钙矿石在CO2和水的长期侵蚀下，可以部分转化为Ca(HCO3)2而溶解；
对于可溶性碳酸盐，其对应的碳酸氢盐具有相对较低的溶解度。例如，当向浓碳酸铵溶液中通入CO2直至饱和时，可以析出NH4HCO3，这是工业生产碳酸氢铵肥料的基础。
溶解度异常与HCO3-离子通过氢键形成二聚或多聚链有关:
水解
碱金属和铵的碳酸盐和碳酸氢盐由于在水溶液中水解而分别呈强碱性和弱碱性；
在金属盐(碱金属和铵盐除外)的溶液中？CO32-离子，产物可能是碳酸盐、碱式碳酸盐或氢氧化物，是哪种产物？一般来说:
(1)强碱性的氢氧根离子，即不水解的金属离子，可以沉淀成碳酸盐。例如:
(2)氢氧化物的弱碱性离子，如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Mg2+等。其溶解度与碳酸盐相似，可沉淀成碱式碳酸盐。例如:
(3)高水解性金属离子，特别是氢氧化物溶度积小的两性离子，如Al3+、Cr3+、Fe3+等。，会沉淀成氢氧化物。例如:
因此，碳酸钠和碳酸铵常用作金属离子的沉淀剂。
热稳定性
热不稳定性是碳酸盐的一个重要性质。一般来说，存在以下热稳定性顺序:
碱金属碳酸盐>:碱土金属碳酸盐>:副族元素和过渡元素的碳酸盐
在碱金属和碱土金属中，阳离子半径大的碳酸盐>阳离子半径小的碳酸盐。
加热分解碳酸盐的困难也与阳离子的极化有关。