【资料】元素周期表-碳

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。碳具有还原性，在高温下可以冶炼金属。
　　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立方厘米/摩尔

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
　　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-H 411 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：(kJ/ mol) M - M+ 1086.2 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) 第一电离能 1086.5 kJ/mol 第二电离能 2352.6 kJ/mol 第三电离能 4620.5 kJ/mol 第四电离能 6222.7 kJ/mol 第五电离能 37831 kJ/mol 第六电离能 47277.0 kJ/mol
　　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。

碳的同位素
　　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。
单质碳的形式
　　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）


金刚石结构图

　　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。
　　金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。
　　主要作用：装饰品、切割金属材料等
　　

2.石墨（graphite）
　　石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。质软，有滑腻感，具有优良的导电性能。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。
　　主要作用：制作铅笔，电极，电车缆线等

3.富勒烯（fullerene,C60、C72等）


　　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
　　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）
　　石墨烯（graphene，即单层石墨）
　　碳纳米管（Carbon nanotube， 具有典型的层状中空结构特征）
　　单斜超硬碳 （M-carbon，低温后石墨高压相，具有单斜结构，其硬度接近金刚石）
　　无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨）
　　赵石墨（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（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）

碳元素的化合物
　　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。

碳的发现史
　　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。
　　六角金刚石由美国科学家加利福德•荣迪尔和尤苏拉•马温于1967年发现。
　　单斜超硬碳由美国科学家邦迪和卡斯伯于1967年实验发现，其晶体结构由吉林大学李全博士和导师马琰铭教授于2009年理论确定。

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