C的一些基本知识是什么（化学）

C的一些基本知识是什么（化学）
C的一些基本知识是什么（化学）

C的一些基本知识是什么（化学）
碳,符号C,元素周期表中第6种元素,原子量12,它与其他元素结合形成有机化合物的大家族,碳元素在大气中主要以有机物未完全燃烧而形成的炭黑（soot）形式出现.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”.汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成,从“炭”字音.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.生物体内大多数分子都含有碳元素.
碳元素简介
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不活泼,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂；不同高温下与氧发生的反应不同,可以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
碳元素周期表
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） 木炭,活性炭,炭黑
物质状态 ：固态
物理属性： 反磁性
熔点：约为3727 ℃（金刚石3550 ℃）
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.
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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的半衰期长达五千七百三十年,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.
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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.
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.
1. 金刚石（diamond）（又名钻石）

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,层与层之间键合比较脆弱,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）

C60
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,也即蜡石,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）

六方金刚石

单层石墨和碳纳米管

单斜超硬碳(M-碳)
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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%(不同分析方式,计算含量有差异),地壳中含量最高的元素依次为：O46.6%,Si27.7%,Al8.1%.
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.
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碳燃烧现象 燃烧热值 燃烧热方程式
1.碳在氧气中燃烧
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
2.碳在空气中燃烧
放热,发出红光,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Co2；当燃烧不充分,即氧气量不足时,产生一氧化碳
3.燃烧热方程式
C(s)+O2(g)=CO2(g) △H=－393.5kJ/mol
4.燃烧热值
393.5kJ/mol
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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.
2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯.海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径.他们强行将石墨分离成较小的碎片,从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二.不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯.
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用途
在工业上和医药上,碳和它的化合物用途极为广泛.
测量古物中碳14的含量,可以得知其年代,这叫做碳14断代法.
石墨可以直接用作炭笔,也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的铅芯.金刚石除了装饰之外,还可使切削用具更锋利.无定形碳由于具有极大的表面积,被用来吸收毒气、废气.富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用.由於石墨的分子间只有微弱的范德华引力,所以它们容易滑动,适合用来作润滑剂,而石墨处於高温时不容易挥发,所以适合在掘隧道时使用. 碳是钢的成分之一.
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.生物体内大多数分子都含有碳元素.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.

C
焦炭