碳元素是什麽

碳的英文名稱來自於拉丁語“carbo”（木炭）壹詞。由於碳元素在自然界天然存在，它是人類最早認識的化學元素之壹。它與鐵、硫、銅、銀、錫、銻、金、汞、鉛等都是古代人早就認識到的化學元素。碳元素是自然界中分布最為廣泛的基礎元素之壹。自然界中以遊離狀態存在的碳有金剛石、石墨和煤。碳元素的發現與確認，經歷了漫長艱苦的歷程，是科學技術發展史上的壹項重要成就。北京周口店地區遺址就有單質碳的存在，時間可以上溯到大約50萬年以前。從新石器時代人類開始制造陶器起，炭黑就被用來作為黑色顏料制造黑陶。戰國時代(公元前403壹前221年)我國就已用木炭煉鐵。隨著冶金業的發展，人們在尋找比木炭更廉價的燃料時，找到了煤。據《漢書·地理誌》記載：“豫章郡(現今江西省南昌市附近)出石，可燃為薪。”漢代文獻《鹽鐵論》日：“故鹽冶之大業，皆依山川，近鐵炭。”中國考古工作者在山東平陵縣漢初冶鐵遺址中發現了煤塊，說明中國漢朝初期，即公元前200年就已用煤煉鐵了。碳的漢字來自於“炭”。因我國古時稱煤為“炭”，遂造為“碳”。到19世紀初，科學家們發現，碳元素是組成生物體最基本的元素。

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帖子主題：碳元素的介紹?

樓主：shaoys?[2006-3-18?下午?02:49:53]

碳元素的介紹?

碳，CARBON，源自carbo，也就是木炭，這種物質發現得很早，上圖顯示出它的三種自然形式：鉆石、炭和石黑。碳的無數化合物是我們日常生活中不可缺少的物質，產品從尼龍和汽油、香水和塑料，壹直到鞋油、滴滴涕和炸藥等，範圍廣泛種類繁多。

碳的發現簡史

碳可以說是人類接觸到的最早的元素之壹，也是人類利用得最早的元素之壹。自從人類在地球上出現以後，就和碳有了接觸，由於閃電使木材燃燒後殘留下來木炭，動物被燒死以後，便會剩下骨碳，人類在學會了怎樣引火以後，碳就成為人類永久的“夥伴”了，所以碳是古代就已經知道的元素。發現碳的精確日期是不可能查清楚的，但從拉瓦錫(Lavoisier?A?L?1743—1794法國)1789年編制的《元素表》中可以看出，碳是作為元素出現的。碳在古代的燃素理論的發展過程中起了重要的作用，根據這種理論，碳不是壹種元素而是壹種純粹的燃素，由於研究煤和其它化學物質的燃燒，拉瓦錫首先指出碳是壹種元素。

碳在自然界中存在有三種同素異形體——金剛石、石墨、C60。金剛石和石墨早已被人們所知，拉瓦錫做了燃燒金剛石和石墨的實驗後，確定這兩種物質燃燒都產生了CO2，因而得出結論，即金剛石和石墨中含有相同的“基礎”，稱為碳。正是拉瓦錫首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美國休斯頓賴斯大學的化學家哈裏可勞特等人發現的，它是由60個碳原子組成的壹種球狀的穩定的碳分子，是金剛石和石墨之後的碳的第三種同素異形體。

碳元素的拉丁文名稱Carbonium來自Carbon壹詞，就是“煤”的意思，它首次出現在1787年由拉瓦錫等人編著的《化學命名法》壹書中。碳的英文名稱是Corbon。

碳單質

碳在地殼中的質量分數為0.027%，在自然界中分布很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白雲石、二氧化碳等。

截止1998年底，在全球最大的化學文摘——美國化學文摘上登記的化合物總數為18.8百萬種，其中絕大多數是碳的化合物。

眾所周知，生命的基本單元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架變化而來的。先是壹節碳鏈壹節碳鏈地接長，演變成為蛋白質和核酸；然後演化出原始的單細胞，又演化出蟲、魚、鳥、獸、猴子、猩猩、直至人類。這三四十億年的生命交響樂，它的主旋律是碳的化學演變。可以說，沒有碳，就沒有生命。碳，是生命世界的棟梁之材。

純凈的、單質狀態的碳有三種，它們是金剛石、石墨、C60。它們是碳的三種同素異形體。

金剛石

石墨

碳六十

金剛石

金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界最硬的礦石。在所有物質中，它的硬度最大。測定物質硬度的刻畫法規定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質的硬度。例如Cr的硬度為9、Fe為4.5、Pb為1.5、鈉為0.4等。在所有單質中，它的熔點最高，達3823K。

金剛石晶體屬立方晶系，是典型的原子晶體，每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成***價鍵，構成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結構。

由於金剛石晶體中C—C鍵很強，所有價電子都參與了***價鍵的形成，晶體中沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點高，而且不導電。

室溫下，金剛石對所有的化學試劑都顯惰性，但在空氣中加熱到1100K左右時能燃燒成CO2。

金剛石俗稱鉆石，除用作裝飾品外，主要用於制造鉆探用的鉆頭和磨削工具，是重要的現代工業原料，價格十分昂貴。

石墨

石墨烏黑柔軟，是世界上最軟的礦石。石墨的密度比金剛石小，熔點比金剛石僅低50K，為3773K。

在石墨晶體中，碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成***價單鍵，構成六角平面的網狀結構，這些網狀結構又連成片層結構。層中每個碳原子均剩余壹個未參加sp2雜化的p軌道，其中有壹個未成對的p電子，同壹層中這種碳原子中的m電子形成壹個m中心m電子的大∏鍵(鍵)。這些離域電子可以在整個兒碳原子平面層中活動，所以石墨具有層向的良好導電導熱性質。

石墨的層與層之間是以分子間力結合起來的，因此石墨容易沿著與層平行的方向滑動、裂開。石墨質軟具有潤滑性。

由於石墨層中有自由的電子存在，石墨的化學性質比金剛石稍顯活潑。

由於石墨能導電，有具有化學惰性，耐高溫，易於成型和機械加工，所以石墨被大量用來制作電極、高溫熱電偶、坩堝、電刷、潤滑劑和鉛筆芯。

碳六十

20世紀80年代中期，人們發現了碳元素的第三種同素異形體——C60。我們從以下三個方面介紹C60

碳六十的發現和結構特點

碳六十的制備

碳六十的用途

碳六十的發現和結構特點

1996年10月7日，瑞典皇家科學院決定把1996年諾貝爾化學獎授予Robert?FCurl，Jr(美國)、Harold?WKroto(英國)和Richard?ESmalley(美國)，以表彰他們發現C60。

1995年9月初，在美國得克薩斯州Rice大學的Smalley實驗室裏，Kroto等為了模擬N型紅巨星附近大氣中的碳原子簇的形成過程，進行了石墨的激光氣化實驗。他們從所得的質譜圖中發現存在壹系列由偶數個碳原子所形成的分子，其中有壹個比其它峰強度大20~25倍的峰，此峰的質量數對應於由60個碳原子所形成的分子。

C60分子是以什麽樣的結構而能穩定呢？層狀的石墨和四面體結構的金剛石是碳的兩種穩定存在形式，當60個碳原子以它們中的任何壹種形式排列時，都會存在許多懸鍵，就會非常活潑，就不會顯示出如此穩定的質譜信號。這就說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結構。由於受到建築學家Buckminster?Fuller用五邊形和六邊形構成的拱形圓頂建築的啟發，Kroto等認為C60是由60個碳原子組成的球形32面體，即由12個五邊形和20個六邊形組成，只有這樣C60分子才不存在懸鍵。

在C60分子中，每個碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子相連，剩余的未參加雜化的壹個p軌道在C60球殼的外圍和內腔形成球面大∏鍵，從而具有芳香性。為了紀念Fuller，他們提出用Buckminsterfullerene來命名C60，後來又將包括C60在內的所有含偶數個碳所形成的分子通稱為Fuller，中譯名為富勒烯。

碳六十的制備

用純石墨作電極，在氦氣氛中放電，電弧中產生的煙炱沈積在水冷反應器的內壁上，這種煙炱中存在著C60、C70等碳原子簇的混合物。

用萃取法從煙炱中分離提純富勒烯，將煙炱放入索氏(Soxhlet)提取器中，用甲苯或苯提取，提取液中的主要成分是C60和C70，以及少量C84和C78。再用液相色譜分離法對提取液進行分離，就能得到純凈的C60溶液。C60溶液是紫紅色的，蒸發掉溶劑就能得到深紅色的C60微晶。

碳六十的用途

從C60被發現的短短的十多年以來，富勒烯已經廣泛地影響到物理學、化學、材料學、電子學、生物學、醫藥學各個領域，極大地豐富和提高了科學理論，同時也顯示出有巨大的潛在應用前景。

據報道，對C60分子進行摻雜，使C60分子在其籠內或籠外俘獲其它原子或集團，形成類C60的衍生物。例如C60F60，就是對C60分子充分氟化，給C60球面加上氟原子，把C60球殼中的所有電子“鎖住”，使它們不與其它分子結合，因此C60F60表現出不容易粘在其它物質上，其潤滑性比C60要好，可做超級耐高溫的潤滑劑，被視為“分子滾珠”。再如，把K、Cs、Tl等金屬原子摻進C60分子的籠內，就能使其具有超導性能。用這種材料制成的電機，只要很少電量就能使轉子不停地轉動。再有C60H60這些相對分子質量很大地碳氫化合物熱值極高，可做火箭的燃料。等等。

碳的成鍵特征

碳在元素周期表中屬第ⅣA族頭壹名元素，位於非金屬性最強的鹵素元素和金屬性最強的堿金屬之間。它的價電子層結構為2s22p2，在化學反應中它既不容易失去電子，也不容易得到電子，難以形成離子鍵，而是形成特有的***價鍵，它的最高***價數顯然為4。

碳原子sp3雜化

碳原子sp2雜化

碳原子sp雜化-1

碳原子sp雜化-2

碳原子sp3雜化

碳原子的sp3雜化可以生成4個δ鍵，形成正四面體構型。例如金剛石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。

在甲烷分子中，C原子4個sp3雜化軌道與4個H原子生成4個δ***價鍵，分子構型為正四面體結構。

碳原子sp2雜化

碳原子的sp2雜化生成3個δ鍵，1個∏鍵，平面三角形構型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。

在COCl2分子中，C原子以3個sp2雜化軌道分別與2個Cl原子和1個O原子各生成1個δ***價鍵外，它的未參加雜化的那個p軌道中的未成對的p電子O原子中的對稱性相同的1個p軌道上的p電子生成了壹個∏***價鍵，所以在C和O原子之間是***價雙鍵，分子構型為平面三角形。

碳原子sp雜化-1

生成2個δ鍵、2個∏鍵，直線形構型。例如CO2、HCN、C2H2等。

在CO2分子中，C原子以2個sp雜化軌道分別與2個O原子生成2個δ***價鍵，它的2個未參加雜化的p軌道上的2個p電子分別與2個O原子的對稱性相同的2個P軌道上的3個p電子形成2個三中心四電子的大∏鍵，所以CO2是2個雙鍵。

在HCN分子中，C原子分別與H和N原子各生成1個δ***價鍵外，還與N原子生成了2個正常的∏***價鍵，所以在HCN分子中是壹個單鍵，1個三鍵。

碳原子sp雜化-2

生成1個δ鍵，1個∏鍵，1個配位∏鍵和1對孤對電子對，直線型構型。例如在CO分子中，C原子與O原子除了生成壹個δ***價鍵和1個正常的∏***價鍵外，C原子的未參加雜化的1個空的p軌道可以接受來自O原子的壹對孤電子對而形成壹個配位∏鍵，所以CO分子中C與O之間是三鍵，還有1對孤電子對。

碳原子不僅僅可以形成單鍵、雙鍵和三鍵，碳原子之間還可以形成長長的直鏈、環形鏈、支鏈等等。縱橫交錯，變幻無窮，再配合上氫、氧、硫、磷、和金屬原子，就構成了種類繁多的碳化合物。

二氧化碳

CO2是無色、無臭的氣體，在大氣中約占0.03%，海洋中約占0.014%，它還存在於火山噴射氣和某些泉水中。地面上的CO2氣主要來自煤、石油、天然氣及其它含碳化合物的燃燒，碳酸鈣礦石的分解，動物的呼吸以及發酵過程。當太陽光通過大氣層的時候，CO2吸收波長13~17nm的紅外線，如同給地球罩上壹層碩大無比的塑料薄膜，留住溫暖的紅外線，不讓它散失掉，使地球成為晝夜溫差不太懸殊的溫室。CO2的溫室效應為生命提供了舒適的生活環境。它還為生命提供了基本的材料，它是綠色植物進行光和作用的原料。綠色植物每年通過光和作用，將大氣裏CO2含的15?000億噸碳，變成纖維素、澱粉和蛋白質，並且放出O2氣，供給動物和人類食用。

綠色植物壹直維持著大氣中O2和CO2的平衡，但近年來隨著全世界工業的高速發展和由此帶來的海洋汙染，使大氣中CO2越來越多，據估計每年約增加百萬分之二到四。這被認為是對世界氣溫普遍升高有影響的壹個重要因素。

關於CO2，我們從它的結構、性質和制備三個方面來介紹:

二氧化碳的結構

二氧化碳的性質

二氧化碳的制備

二氧化碳的結構

在CO2分子中，碳原子采用sp雜化軌道與氧原子成鍵。

C原子的兩個sp雜化軌道分別與壹個O原子生成兩個δ鍵。C原子上兩個未參加雜化的p軌道與sp雜化軌道成直角，並且從側面同氧原子的p軌道分別肩並肩地發生重疊，生成兩個∏三中心四電子的離域鍵。因此，縮短了碳—氧原子間地距離，使CO2中碳氧鍵具有壹定程度的三鍵特征。決定分子形狀的是sp雜化軌道，CO2為直線型分子。

二氧化碳的性質

CO2分子沒有極性，因此分子間作用力小，溶沸點低，鍵能大，原子間作用力強，分子具有很高的熱穩定性。例如在2273K時CO2只有1.8%的分解：

CO2臨界溫度高，加壓時易液化，液態CO2的汽化熱很高，217K時為25.1kJ·mol-1。當液態CO2自由蒸發汽化時，壹部分CO2被冷凝成雪花狀的固體，這固體俗稱“幹冰”。它是分子晶體。在常壓下，幹冰不經熔化，於194.5K時直接升華氣化，因此常用來做制冷劑。

CO2是酸性氧化物，它能與堿反應。工業上，純堿Na2CO3、小蘇打NaHCO3、碳酸氫氨NH4HCO3、鉛白顏料Pb(OH)22PbCO3、啤酒、飲料、幹冰等生產中都要食用大量的CO2。

壹般講，CO2不助燃，空氣中含CO2量達到2.5%時，火焰就會熄滅。所以CO2是目前大量使用的滅火劑。但著火的鎂條在CO2氣中能繼續燃燒，說明CO2不助燃也是相對的：

CO2不活潑，但在高溫下能與碳或活潑的金屬鎂、鉛等反應：

CO2雖然無毒，但若在空氣中的含量過高，也會使人因為缺氧而發生窒息的危險。人進入地窖時應手持燃著的蠟燭，若燭滅，表示窖內CO2濃度過高，暫不宜進入。

二氧化碳的制備

在工業上可利用煆燒石灰石生產石灰以及通過釀造工業而得到大量的CO2副產物。

在實驗室中則常用碳酸鹽和鹽酸作用來制備CO2：

壹氧化碳

CO也是壹種無色、無臭的氣體，我們介紹它的結構、性質和制備方法。

CO的結構

CO的性質

CO的制備

CO的結構

按照雜化軌道理論，在CO分子中，碳原子采取sp雜化與氧原子成鍵。

C原子的2個p電子可與O原子的2個成單的p電子形成壹個δ鍵和壹個∏鍵，O原子上的成對的p電子還可以與C原子上的壹個空的2p軌道形成壹個配位鍵。（配位鍵定義：由壹個原子提供電子對為兩個原子所***用而形成的***價鍵，稱為配位鍵）。用←表示配鍵，箭頭指向接受電子對的原子，此處即成鍵的壹對電子是O原子單獨提供的，C原子提供空軌道接受電子。其結構式可表示為:

按照分子軌道理論，從CO分子的分子軌道能級圖可以看出，C原子核外有4個價電子，其電子結構式為2s22p2；O原子核外有6個價電子，其電子結構式為2s22p4，由於C和O原子的相應的原子軌道能量相近，互相重疊形成CO分子的分子軌道。CO分子的價鍵結構式可以表示為：

[1]式中的箭頭表示由氧單方面提供壹對電子為兩個原子***用而形成的***價鍵，亦稱為配位鍵。

[2]式中的表示∏配位鍵，兩個圓點偏於壹邊，則表示這電子在原子狀態時是在氧原子的軌道上，而在形成CO分子後，也還是比較靠近氧原子核的。

這種包含有配位鍵的三重鍵結構能夠圓滿地解釋鍵能大、鍵長短、偶極矩幾乎等於零的事實。如果沒有配位鍵的話，CO應該是極性很強的分子，因為O原子的電負性要比C原子大得多，但是配位鍵的存在，使O原子略帶正電荷，C原子略帶負電荷，兩種因素相互抵消，所以CO的偶極矩幾乎等於零。

CO分子和N2分子中各有10個價電子，它們是等電子體，亦稱為等電子分子。等電子分子軌道電子排布和成鍵情況及性質非常相似。

在CO分子中，因C原子略帶負電荷，這個C原子比較容易向其它有空軌道的原子提供電子對形成配位鍵並生成許多羰基化合物。這也是CO分子的鍵能雖然比N2分子的大，而它卻比較活潑的壹個原因。

CO的性質

（1）、CO是壹種很好的還原劑

在高溫下，CO可以從許多金屬氧化物中奪取氧，使金屬還原。冶金工業中用焦碳作還原劑，實際上起重要作用的是CO：

在常溫下，CO還能使壹些化合物中的金屬離子還原。例如：CO能使二氯化鈀溶液、銀氨溶液變黑，反應十分靈敏，可用於檢測微量CO的存在：

CO是壹種重要的配體它能與許多過渡金屬加合生成金屬羰基化合物。例如Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6等。我們以Ni(CO)4為例來說明羰基化合物的成鍵特征。

在金屬羰基化合物中，CO以C和金屬相連。從CO的分子軌道能級圖我們已經知道，CO壹方面有非鍵電子對（孤電子對）可以給予金屬原子的空軌道，形成δ配位鍵。另壹方面，CO還有空的反鍵∏道可以接受金屬原子的d電子對，與金屬原子的d軌道重疊生成∏鍵。這種∏鍵是由金屬原子單方面提供電子對到配位體（CO）的空軌道上，所以稱為反饋鍵或配位∏鍵。反饋鍵正好可以減少由於生成δ配鍵引起的金屬原子上過多的負電荷的積累。

在羰基化合物中，金屬呈低氧化態，具有較多的價電子，有利於形成反饋鍵。如在Ni(CO)4中，Ni原子為零價，價電子為3d84s2，Ni原子采用sp3雜化軌道接受4個CO提供的非鍵電子對形成δ配位鍵。另外Ni原子上的d電子對反饋到CO的空的反鍵∏*軌道上去，生成反饋鍵。由於δ配位鍵和反饋鍵兩種成鍵作用是同時進行的，使金屬與CO生成的羰基化合物具有很高的穩定性。

羰基化合物壹般是劇毒的。CO對動物和人類的高度毒性亦產生於它的加合作用，它能與血液中的血紅素（壹種Fe的配合物）結合生成羰基化合物，使血液失去輸送氧的作用，導致組織低氧癥，如果血液中50%的血紅素與CO結合，即可引起心肌壞死。空氣中只要有1/800體積比的CO就能使人在半小時內死亡。（1aroman?、CO相當活潑它很容易同O、S、H以及鹵素F2、Cl2、Br2相化合。

①CO能在空氣中燃燒，生成CO2，並放出大量的熱：

②CO與H2反應，可生成甲醇和某些有機化合物：

③CO與S反應，生成硫化碳酰：

④CO與鹵素F2、Cl2、Br2反應，可以生成鹵化碳酰，鹵化碳酰很容易被水分解，並與氨作用生成尿素：

氯化碳酰又名“光氣”，是極毒的。但它是以較大的量而生產的，用於制造甲苯二異氰酸酯，這是生產聚氨酯塑料的壹種中間體。

CO的制備

實驗室制備CO氣體的方法：

（1）、甲酸滴加到熱的濃硫酸中脫水：

（2）、將草酸晶體與濃硫酸***熱：

使反應中產生的混合氣體通過固體NaOH，吸收掉CO2而得到純的CO氣體。

工業上制備CO氣體的方法:

工業上CO的主要來源為水煤氣、發生爐煤氣和煤氣。