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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”。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和生物之中。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。生物体内绝大多数分子都含有碳元素。

碳的英文名称carbon来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo,也来源于法语中的charbon,意思是木炭。 [1] 在德国、荷兰和丹麦,碳的名字分别是Kohlenstoffkoolstofkulstof,字面意思是煤物质。

碳在史前就已被发现,炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知 [2] ,同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样:通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。 [3] 在1722年,René Antoine Ferchault de Réaumur证明铁通过吸收一些物质能变成钢,这种物质就是现在熟知的碳。 [4] 在1772年,安东尼拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式,当他将一些钻石和煤的样品燃烧时,发现他们都不生成水,并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。在1779年,卡尔威廉舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物 [5] ,并且他给了当用硝酸氧化时,产物的名字空气中的酸("aerial acid"),即二氧化碳。 [6] 在1786年,法国化学家Claude Louis Berthollet,Gaspard Monge 和 C. A. Vandermonde通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧化,证明了石墨几乎全部由碳组成。 [7] 1789年,拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。 [6]

碳既以游离元素存在(金刚石、石墨等),又以化合物形式存在(主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐)。它以二氧化碳的形式存在,是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大,但典型的数值可取180ppm;按丰度顺序,这个元素位于第17位,在钡、锶、硫之后,锆、钒、氯、铬之前。 [8] [9] 石墨广泛分布于全世界,然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中,如石英、云母、片岩和片麻岩;晶体大小从不足1mm到6mm左右(平均4mm)。它沉积微扁豆状矿体,可达30m厚,横越田野,绵延数公里。平均含碳量达25%,但高的可达60%(马尔加什)。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选,再在真空中加热到1500℃。微晶石墨(有时称为“无定形体”)存在于富碳的变性沉淀中,某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。 [8]

金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩(火山筒),它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中,称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”,1870年在南非的吉姆伯利城,首次发现这样的火山筒。 [10] 随着地质年代的变迁,借火山筒的风化腐蚀,在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低,数量级为500万分之一,矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过,金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。 [8]

三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业:它们是焦炭、炭黑和活性炭。 [8]

在地面条件下,一种元素从一处到另一处是很罕见的。因此,地球上的碳含量是一个有效常数。碳在自然界中的流动构成了碳循环。例如,植物从环境中吸收二氧化碳用来储存生物质能,如碳呼吸和卡尔文循环(一种碳固定的过程)。一些生物质能通过捕食而转移,而一些碳以二氧化碳的形式被动物呼出。碳循环的结构要比右图的模式图复杂得多。例如,一些二氧化碳会溶解在海洋中,死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气,这些可以通过燃烧释放碳,而细菌不能利用得到。

碳原子核的形成需要α粒子(氦核)在巨核或超巨星中发生几乎同时的三重碰撞,这个过程称为三氦过程。这种核融合反应可以在超过一亿度K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的,他发生在较老年,经由质子-质子链反应和碳氮氧循环产生的氦,累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后,核心将塌缩,直到温度达到氦燃烧的燃点。反应的过程是:

4He+4He→8Be (93.7 keV)

8Be+4He→12C (+7.367 MeV)

反应过程的净能量释放为1.166pJ。

另一个为恒星供能的融合机制是CNO循环碳-氮-氧循环,有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环,是恒星将氢转换成氦的两种过程之一,另一种过程是质子-质子链反应),其中碳作为催化剂使得反应能够进行。

现代已知的同位素共有十五种,有碳8至碳22,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5730年,其他的为稳定同位素。 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,衰变方式为β衰变,碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一,生物在生存的时候,由于需要呼吸,其体内的碳14含量大致不变,生物死去后会停止呼吸,此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量,来估计它的大概年龄,这种方法称之为碳定年法。 [9]

符号

质子

中子

质量(u)

半衰期

核自旋

相对丰度

相对丰度变化量

8C

6

2

8.037675(25)

2.0(4) x 10-21s[230(50) keV]

0+

9C

6

3

9.0310367(23)

126.5(9) ms

(3/2-)

10C

6

4

10.0168532(4)

19.290(12) s

0+

11C

6

5

11.0114336(10)

20.334(24) min

3/2-

12C

6

6

12 by definition

稳定

0+

0.9893(8)

0.98853-0.99037

13C

6

7

13.0033548378(10)

稳定

1/2-

0.0107(8)

0.00963-0.01147

14C

6

8

14.003241989(4)

5.70(3) x 103 years

0+

15C

6

9

15.0105993(9)

2.449(5) s

1/2+

16C

6

10

16.014701(4)

0.747(8) s

0+

17C

6

11

17.022586(19)

193(5) ms

(3/2+)

18C

6

12

18.02676(3)

92(2) ms

0+

19C

6

13

19.03481(11)

46.2(23) ms

(1/2+)

20C

6

14

20.04032(26)

16(3) ms [14(+6-5) ms]

0+

21C

6

15

21.04934(54)#

<30 ns

(1/2+)#

22C

6

16

22.05720(97)#

6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]

0+

备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明,只是理论推测而已,而用括号括起来的代表数据不确定性。

金刚石 碳以无烟煤(一种煤炭类型),石墨和钻石的形式天然的存在,历史上更容易得到的是煤灰或木炭。最终这些不同的材料被认为是由相同的元素形成的。不惊奇的是,钻石是最难确认的。来自佛罗伦萨(意大利)的博物学者Giuseppe Averani和医学工作者Cipriano Targioni首先发现了钻石是可以被加热摧毁的。在1694年他们使用一个大型放大镜聚集阳光到钻石上,宝石最终消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重复了这个实验。之后,在1796年,英国化学家Smithson Tennant展示其燃烧后生成的仅仅是CO2而最终证明了钻石只是碳的一种形式。(结构如图a)

金刚石是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,成空间网状结构,最终形成了一种硬度大、活性差的固体。金刚石的熔沸点高,熔点超过3500℃,相当于某些恒星表面温度。在金刚石分子中,每一个碳原子都被另外四个碳原子包围着,这些碳原子以很强的结合力连接在一起,形成了一个巨大的分子,因此金刚石很坚硬。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品,钻头材料等。

石墨 石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨属于混合型晶体,既有原子晶体的性质又有分子晶体的性质。质软,有滑腻感,具有优良的导电性能。熔沸点高。石墨分子中每一个碳原子只与其他三个碳原子以较强的力结合,形成了一种层状的结构,而层与层之间的结合力较小,因此石墨可以作为润滑剂。用途是制作铅笔,电极,电车缆线等。(结构如图b)

足球烯 1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。一个C60分子中有60个C原子,构成32个面,20个正六边形,12个正五边形。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。(结构如图d,e,f)属于分子晶体,熔沸点低,硬度小,绝缘。

蓝丝黛尔石(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)(结构如图c)

蜡石(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) [9]

石墨烯 是一种二维晶体,最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

其他结构 无定形碳(Amorphous,不是真的异形体,内部结构是石墨)(结构如图g)

在氧气中燃烧

剧烈放热,发出刺眼白光,产生无色无味能使氢氧化钙溶液(澄清石灰水)变浑浊的气体
  化学方程式:
  C+O2==点燃==CO2(化合反应)

在空气中燃烧
  放热,持续红热,产生无色无臭能使氢氧化钙溶液(澄清石灰水)变浑浊的气体CO2;当燃烧不充分,即氧气量不足时,产生一氧化碳:
  氧气充足时化学方程式:
  C+O2==点燃==CO2(化合反应)

氧气不足时化学方程式:
  2C+O2==点燃==2CO(化合反应)

作为还原剂
  碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质(但生成物不同),都可以从金属氧化物中还原出金属单质。
  碳还原氧化铜:
  C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑(置换反应)
  碳还原氧化铁:
  3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑(置换反应)
  碳还原二氧化碳:
  C+CO2==高温==2CO(化合反应)
  但是,碳在密封空间与高锰酸钾共热,高锰酸钾会分解出氧气,碳会迅速氧化,会发生爆炸。

与强氧化性酸反应:

C+2H2SO4(浓)==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O

C+4HNO3(浓)==加热==CO2↑4NO2↑+2H2O

稳定性
  碳在“常温”下具有稳定性,不易反应,故古代名画现代能保存,书写档案要用碳素墨水 [9]

碳的化合物中,只有以下化合物属于无机物:碳的氧化物、碳化物、碳的硫属化合物、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰及一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐,如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2],硫氰[(SCN)2],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,现代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,已形成一门独立的分科有机化学。 [11]

纯碳具有极低的对人体的毒性,并可以处理,甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取。碳可以抵抗溶解或化学侵蚀,例如,即使是面对消化道内的酸性物质。因此它一旦进入人体组织后可能会无期限存留。炭黑可能是最早用来纹身的颜料之一,如冰人奥兹被发现有炭黑纹身,这些纹身从他存活开始一直到他死后5200年后都一直存在。 [12] 然而,吸入大量煤炭(或炭黑)粉尘或烟尘是危险的,它们会刺激肺组织,并引起充血性肺病煤工尘肺。相似的,金刚石磨粉被误食或吸入也会有危险。

碳对地球上几乎所有生物都是低毒的,然而对某些生物是有毒的,例如碳纳米颗粒对果蝇是致命的。 [13] 碳化合物种类繁多,既有致命毒素如河豚毒素、从蓖麻种子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等,也有生命必需物种如葡萄糖、蛋白质。

金刚石供应链被有权利的贸易集团控制在有限数量上,并且高度集中在世界上很小的区域内。(如右图)只有非常少量的矿藏有实际价值。在将矿石粉碎期间必须采取护理措施防止在此过程中金刚石遭到破损,并随后将金刚石按照密度顺序排序。在当今借助X射线将钻石按照富集密度分级之前,过程中最后的分拣步骤都是靠手工完成的。在借助X射线操作成为了家常便饭之前,分离是通过涂有油膏的皮带完成的,钻石比其他矿物更有粘附能力。 [14]

有商业价值的石墨沉积在世界各地都有,但最重要的经济来源是在中国、印度、巴西和朝鲜。在Borrowdale , Cumberland , England的石墨沉积是首先达到了足够的大小和纯度,在19世纪前,铅笔通过简单地用木条将天然石墨锯条包裹而成。二十一世纪后,小的石墨沉积通过粉碎母岩并使轻质的石墨浮出水面获得。 [15]

碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的,没有它,生命不可能存在。

除食物和木材以外的碳的主要经济利用是烃(最明显的是石油和天然气)的形式。原油由石化行业在炼油厂通过分馏过程来生产其他商品,包括汽油和煤油。

纤维素是一种天然的含碳的聚合物,从棉、麻、亚麻等植物中获取。纤维素在植物中的主要作用的维持植物本身的结构。来源于动物的具有商业价值的聚合物包括羊毛、羊绒、丝绸等都是碳的聚合物,通常还包括规则排列在聚合物主链的氮原子和氧原子。

碳及其化合物多种多样。碳还能与铁形成合金,最常见的是碳素钢;石墨和黏土混合可以制用于书写和绘画的铅笔芯,石墨还能作为润滑剂和颜料,作为玻璃制造的成型材料,用于电极和电镀、电铸,电动马达的电刷,也是核反应堆中的中子减速材料;焦炭可以用于烧烤、绘图材料和炼铁工业;宝石级金刚石可作为首饰,工业用金刚石用于钻孔、切割和抛光,以及加工石头和金属的工具。


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