Carbon(非金屬元素)

碳是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期IVA族。它的化學符號是C，它的原子序數是6，電子構型為He2s22p2。碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。 拉丁語為Carbonium，意為“煤，木炭”。漢字“碳”字由木炭的“炭”字加表固體非金屬元素的石字旁構成，從 炭字音。

基本介紹

• 中文名：碳
• 外文名：Carbon
• 元素符號：C
• 原子序數：6
• 原子量：12.01
• 元素類型：非金屬單質

化學領域

性狀

碳單質通常是無臭無味的固體。單質碳的物理和化學性質取決於它的晶體結構，外觀、密度、熔點等各自不同。 碳的單質已知以多種同素異形體的形式存在：

石墨

金剛石

富勒烯（Fullerenes，也被稱為巴基球）

無定形碳（Amorphous，不是真的異形體,內部結構是石墨）

碳納米管（Carbon nanotube）

六方金剛石（Lonsdaleite，與金剛石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石）

趙石墨（Chaoite，石墨與隕石碰撞時產生，具有六邊形圖案的原子排列）

汞黝礦結構（Schwarzite，由於有七邊形的出現，六邊形層被扭曲到“負曲率”鞍形中的假想結構）

纖維碳（Filamentous carbon，小片堆成長鏈而形成的纖維）

碳氣凝膠（Carbon aerogels，密度極小的多孔結構，類似於熟知的矽氣凝膠）

碳納米泡沫（Carbon nanofoam，蛛網狀，有分形結構，密度是碳氣凝膠的百分之一，有鐵磁性）

最常見的兩種單質是高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨，它們晶體結構和鍵型都不同。金剛石每個碳都是四面體4配位，類似脂肪族化合物；石墨每個碳都是三角形3配位，可以看作無限個苯環稠合起來。

常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑。

同位素

目前已知的同位素共有十二種，有碳8至碳19，其中碳12和碳13屬穩定型，其餘的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達五千多年，其他的均全不足半小時。

在地球的自然界裡，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權的平均值，一般計算時取12.01。

碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數為1摩爾。碳14由於具有較長的半衰期，被廣泛用來測定古物的年代。

成鍵特點

碳原子一般是四價的，這就需要4個單電子，但是其基態只有2個單電子，所以成鍵時總是要進行雜化。最常見的雜化方式是sp3雜化，4個價電子被充分利用，平均分布在4個軌道里，屬於等性雜化。這種結構完全對稱，成鍵以後是穩定的σ鍵，而且沒有孤電子對的排斥，非常穩定。金剛石中所有碳原子都是這種以此種雜化方式成鍵。烷烴的碳原子也屬於此類。

根據需要，碳原子也可以進行sp2或sp雜化。這兩種方式出現在成重鍵的情況下，未經雜化的p軌道垂直於雜化軌道，與鄰原子的p軌道成π鍵。烯烴中與雙鍵相連的碳原子為sp 2雜化。

由於sp2雜化可以使原子共面，當出現多個雙鍵時，垂直於分子平面的所有p軌道就有可能互相重疊形成共軛體系。苯是最典型的共軛體系，它已經失去了雙鍵的一些性質。石墨中所有的碳原子都處於一個大的共軛體系中，每一個片層有一個。

化合物

碳的化合物中，只有以下化合物屬於無機物：

碳的氧化物：一氧化碳、二氧化碳

碳酸鹽、碳酸氫鹽

氰一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽：氰、氧氰，硫氰

其它含碳化合物都是有機化合物。由於碳原子形成的鍵都比較穩定，有機化合物中碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機物數量極其繁多這一現象，目前人類發現的化合物中有機物占絕大多數。有機物的性質與無機物大不相同，它們一般可燃、不易溶於水，反應機理複雜，現已形成一門獨立的分科：有機化學。

存在形式

碳存在於自然界中(如以金剛石和石墨形式)，是煤、石油、瀝青、石灰石和其它碳酸鹽以及一切有機化合物的最主要的成分，在地殼中的含量約0.027%。碳是占生物體乾重比例最多的一種元素。碳還以二氧化碳的形式在地球上循環於大氣層與平流層。

在大多數的天體及其大氣層中都存在有碳。

發現

金剛石和石墨史前人類就已經知道。 富勒烯則於1985年被發現，此後又發現了一系列排列方式不同的碳單質。同位素碳14於1940年被發現。

單質的精煉

金剛石

金剛石即鑽石可以找到集中的塊狀礦藏，開採出來時一般都有雜質。用另外的鑽石粉末將雜質削去，並打磨成形，即得成品。一般在切削、打磨過程中要損耗掉一半的質量。

石墨

用途

在工業上和醫藥上，碳和它的化合物用途極為廣泛。

測量古物中碳14的含量，可以得知其年代，這叫做碳14斷代法。

石墨可以直接用作炭筆，也可以與粘土按一定比例混合做成不同硬度的鉛芯。金剛石除了裝飾之外，還可使切削用具更鋒利。無定形碳由於具有極大的表面積，被用來吸收毒氣、廢氣。富勒烯和碳納米管則對納米技術極為有用。

碳是鋼的成分之一。

碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。碳化合物一般從化石燃料中獲得，然後再分離並進一步合成出各種生產生活所需的產品，如乙烯、塑膠等。

總體特性

理化特性

名稱：碳

符號：C

原子序號：6

相對原子質量： 12.0107

原子屬性：非金屬

周期數：2

元素族區：IVA族

密度：2267 kg/m3、

硬度：0.5 (石墨)；10.0 (鑽石)

顏色和外表：黑色（石墨）；無色（鑽石）

地殼含量：（ppm）4800

原子屬性

原子量 12.0107 原子量單位

原子半徑（計算值） 70（67）pm

共價半徑 77 pm

范德華半徑 170 pm

電子構型 [氦]2s22p2

電子在每能級的排布 2，4

氧化價（氧化物） 4，2（弱酸性）

晶體結構 六方（石墨）

立方（鑽石）

物理屬性

物質狀態 固態（反磁性）

熔點 3773 K（3500 °C）

沸點 5100 K（4827 °C）

摩爾體積 5.29×10-6m3/mol

汽化熱 355.8 kJ/mol（升華）

熔化熱 無數據（升華）

蒸氣壓 0 帕

聲速 18350 m/s

其他性質

電負性 2.55（鮑林標度）

比熱 710 J/(kg·K)

電導率 0.061×10-6/(米歐姆)

熱導率 129 W/(m·K)

第一電離能 1086.5 kJ/mol

第二電離能 2352.6 kJ/mol

第三電離能 4620.5 kJ/mol

第四電離能 6222.7 kJ/mol

第五電離能 37831 kJ/mol

第六電離能 47277.0 kJ/mol

最穩定的同位素

同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量

MeV 衰變產物

12C 98.9 % 穩定

13C 1.1 % 穩定

14C 微量 5730年 β衰變 0.156 14N

（註：在沒有特別註明的情況下使用的是國際標準基準單位單位和標準氣溫和氣壓。）

元素符號： C 英文名： Carbon 中文名： 碳

相對原子質量： 12.011 常見化合價： -4,+2,+4 電負性： 2.55

外圍電子排布： 2s2 2p2 核外電子排布： 2,4

同位素及放射線： C-11[20.3m] *C-12 C-13 C-14[5730y] C-15[2.5s]

電子親合和能： 121.85 KJ·mol-1

第一電離能： 1086 KJ·mol-1

第二電離能： 2353 KJ·mol-1

第三電離能： 4621 KJ·mol-1

單質密度： 3.51(金剛石)/2.25(石墨) g/cm3

單質熔點： 3550.0(金剛石)/3500.0(石墨) ℃

單質沸點： 4827.0 ℃

原子半徑： 0.91 埃 離子半徑： 0.16(+4) 埃 共價半徑： 0.77 埃

常見化合物： 各種有機物 CaC2 H2CO3 CO2 CO NaCO3 NaHCO3

發現人： 遠古就被發現 時間： 0 地點： 未知

名稱由來：

拉丁文： carbo（木炭）。

元素描述：

同素異形體包括鑽石和石墨。是宇宙中含量第六的元素。

元素來源：

在氧氣不足的條件下燃燒有機物得到。

元素用途：

焦炭用於煉鐵，活性炭用於過濾，其他用途極為廣泛。放射性同位素碳14用於測定遠古遺物的年代。

計算機領域

Carbon是蘋果電腦作業系統（是 Macintosh 時代，而不是當前的 Mac OS X 時代）的應用程式編程接口（API）之一。

Carbon和Cocoa，Toolbox，POSIX，JAVA並列成為Mac OS X五個主要的API。與Cocoa相較之下，Carbon是非面向對象（Procedural）程式語言API，而Cocoa是面向對象（Object Oriented）的程式語言API。Carbon是比Cocoa更為低層次的API，比較類似於微軟視窗作業系統的Win32 API。

調用Carbon的程式可以使用包括C，C++在內的多種程式語言。而Cocoa只能支持Obejctive-C和Java。在從Power PC平台向Intel平台轉移的過程中。使用Carbon的程式比使用Cocoa的程式需要更多的修改。