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妳現在的職位:？中國氣體分離設備商業網？→?技術交流？-& gt；？工業氣體在國民經濟中的應用系列講座？-& gt；？帖子:“碳元素介紹”？
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帖子主題:碳元素介紹？
樓主:shaoys？[2006-3-18?下午？02:49:53]
碳元素的引入？
碳，碳，來自carbo，即木炭。這種物質很早就發現了。上圖是它的三種自然形態:鉆石、木炭、石黑。無數的碳化合物是我們日常生活中不可缺少的物質。產品範圍從尼龍和汽油、香水和塑料到鞋油、DDT和炸藥。
碳的發現簡史
碳可以說是人類最早接觸到的元素之壹，也是人類最早使用的元素之壹。自從人類出現在地球上，就壹直與碳接觸。因為閃電燒木頭會留下木炭，動物被燒死後，骨碳會殘留。在人類學會生火之後，碳就成了人類永久的“夥伴”，所以碳是壹種自古以來就為人所知的元素。碳發現的確切日期無從考證，但從拉瓦錫？答？l？從1743—1794法國)1789編制的元素表可以看出，碳是作為壹種元素出現的。碳在古代燃素理論的發展中起了重要作用。根據這個理論，碳不是壹種元素，而是壹種純粹的燃素。因為研究了煤和其他化學物質的燃燒，拉瓦錫首先指出碳是壹種元素。
自然界中有三種碳的同素異形體——金剛石、石墨和C60。金剛石和石墨早已為人所知。拉瓦錫做了燃燒鉆石和石墨的實驗後，確定這兩種物質都會產生CO2，並由此得出結論:鉆石和石墨含有相同的“基礎”，即碳。是拉瓦錫第壹個把碳列入元素周期表。C60是在1985年由美國休斯敦萊斯大學的化學家哈裏·克勞特發現的。它是由60個碳原子組成的球形穩定碳分子，是碳的第三種同素異形體，僅次於金剛石和石墨。
碳的拉丁名稱來源於單詞Carbon，意思是“煤”。最早出現在1787年拉瓦錫等人主編的《化學命名法》壹書中。碳的英文名是Corbon。
元素碳
地殼中碳的質量分數為0.027%，在自然界廣泛分布。化合物形式的碳包括煤、石油、天然氣、動植物、石灰石、白雲石、二氧化碳等。
截止到1998年底，全球最大的化學文摘《美國化學文摘》登記的化合物總數為1880萬，其中絕大部分是碳化合物。
眾所周知，生命的基本單位氨基酸和核苷酸都是以碳為骨架構成的。先是壹段碳鏈被延長，進化成蛋白質和核酸；然後進化成原始的單細胞，再進化成昆蟲、魚、鳥、獸、猴、猩猩，甚至人類。這部三四十億年生命交響曲的主題是碳的化學進化。可以說沒有碳就沒有生命。碳是生命世界的支柱。
純碳有三種，即金剛石、石墨和C60。它們是碳的三種同素異形體。
鉆石
石墨
碳六十
鉆石
鉆石是自然界中最堅硬的礦物，因為它晶瑩美麗，光彩奪目。在所有物質中，它是最硬的。測量物質硬度的表征方法規定金剛石的硬度為10來測量其他物質的硬度。比如鉻的硬度是9，鐵是4.5，鉛是1.5，鈉是0.4。在所有單質中，它的熔點最高，達到3823K。
金剛石晶體屬於立方晶系，是典型的原子晶體。每個碳原子通過sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成* * *價鍵，形成正四面體。這是金剛石面心立方晶胞的結構。
因為金剛石晶體中的C-C鍵非常強，所有價電子都參與價鍵的形成，晶體中沒有自由電子，所以金剛石不僅堅硬，熔點高，而且不導電。
在常溫下，鉆石對所有化學試劑都是惰性的，但在空氣中加熱到1100K左右，就能燃燒成CO2。
鉆石，俗稱鉆石，不僅用作裝飾，還主要用於制造鉆頭和磨具。它是壹種重要的現代工業原料，價格非常昂貴。
石墨
石墨又黑又軟，是世界上最軟的礦石。石墨的密度比金剛石低，熔點只比金剛石低50K，是3773K。
在石墨晶體中，碳原子通過sp2雜化軌道與三個相鄰碳原子形成* * *價單鍵，形成六角網絡結構，這些網絡結構連接成片狀結構。層中的每個碳原子保持不參與sp2雜化的P軌道，並且有壹個不成對的P電子。同壹層的這個碳原子中的M電子形成了M中心的M電子的大∏鍵(鍵)。這些離域電子可以在碳原子的整個平面層內移動，因此石墨在層方向具有良好的導電性和導熱性。
石墨的層是通過分子間力結合在壹起的，所以石墨容易在平行於層的方向上滑動和開裂。石墨柔軟光滑。
因為石墨層中有自由電子，所以石墨的化學性質比金剛石稍微活躍壹些。
石墨廣泛用於制造電極、高溫熱電偶、坩堝、刷子、潤滑劑和鉛筆芯，因為它具有導電性、化學惰性、耐高溫以及易於成型和加工。
碳六十
20世紀80年代中期，人們發現了碳的第三種同素異形體——C60。我們從以下三個方面介紹C60。
碳六十的發現及其結構特征
C60的制備
碳六十的使用
碳六十的發現及其結構特征
1996 10 10月7日，英國皇家瑞典學院科學委員會決定將1996諾貝爾化學獎授予羅伯特？FCurl，Jr(美國)，哈羅德？WKroto(英國)和理查德？埃斯馬利(美國)發現C60。
1995年9月初，Kroto等人為了模擬N型紅巨星附近大氣中碳團簇的形成過程，進行了石墨的激光氣化實驗。他們從獲得的質譜圖中發現，有壹系列由偶數個碳原子組成的分子，其中壹個峰比其他峰強20-25倍，這個峰的質量數對應於由60個碳原子組成的分子。
C60分子是什麽樣的結構穩定？層狀石墨和四面體金剛石是碳的兩種穩定形式。當60個碳原子排列在其中任何壹個的時候，都會有很多懸空鍵，會很活躍，不會表現出這麽穩定的質譜信號。這說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結構。由於建築師巴克明斯特的影響？受富勒的由五邊形和六邊形組成的拱形圓頂建築的啟發，克羅托等人認為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分子才能沒有懸掛鍵。
在C60分子中，每個碳原子通過sp2雜化軌道與三個相鄰的碳原子相連，剩余的不參與雜化的P軌道在C60球殼外圍和內腔形成球形大鍵，從而具有芳香性。為了紀念富勒，他們提出用巴克敏斯特富勒烯命名C60，後來把包括碳數為偶數的C60在內的所有分子都稱為富勒，中文翻譯為富勒烯。
C60的制備
以純石墨為電極時，在氦氣氣氛中放電，電弧中產生的煙塵沈積在水冷堆內壁上。這種煙灰中含有C60和C70等碳原子的混合物。
通過萃取從煙灰中分離和純化富勒烯。將煙灰放入索氏提取器中，用甲苯或苯提取。提取物中的主要成分是C60和C70，以及少量的C84和C78。通過用液相色譜分離提取物可以獲得純的C60溶液。C60溶液呈紫紅色，蒸發溶劑可得到暗紅色的C60微晶。
碳六十的使用
自C60發現十多年以來，富勒烯廣泛影響了物理學、化學、材料科學、電子學、生物學和醫學，極大地豐富和完善了科學理論，也展現出巨大的潛在應用前景。
據報道，C60分子被摻雜，使得C60分子捕獲其籠內或籠外的其他原子或基團，形成類似C60的衍生物。比如C60F60就是將C60分子充分氟化，在C60球面上加入氟原子，將所有電子“鎖”在C60球殼中，使其不與其他分子結合。因此，C60F60表現出不易粘附其他物質，潤滑性優於C60，可作為超耐高溫潤滑劑，被視為“分子球”。再比如，在C60分子的籠中摻雜K、Cs、Tl等金屬原子，可以使其具有超導性能。用這種材料制成的馬達可以用很少的電保持轉子轉動。此外，C60H60是壹種分子量相對較大的碳氫化合物，熱值極高，可用作火箭燃料。等壹下。
碳的鍵合特性
碳屬於元素周期表中ⅳ a族的第壹種元素，位於非金屬性最強的鹵族元素和金屬性最強的堿金屬之間。其價電子層結構為2s22p2。在化學反應中，不容易失去電子和獲得電子，也很難形成離子鍵，而是形成獨特的價鍵，其最高價數明顯為4。
碳原子sp3雜化
碳原子的Sp2雜化
碳原子sp雜化-1
碳原子sp雜化物-2
碳原子sp3雜化
碳原子的Sp3雜化可以生成四個δ鍵，形成正四面體構型。如金剛石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。
甲烷分子中，C原子和4個H原子的4個sp3雜化軌道生成4個δ * * *價鍵，分子構型為正四面體結構。
碳原子的Sp2雜化
碳原子Sp2雜化產生3個δ鍵，1 ∏鍵，平面三角形構型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。
在COCl2 _ 2分子中，C原子通過3個sp2雜化軌道分別與2個Cl原子和1個O原子生成1 δ * *價鍵，1個P軌道上的P電子與未參與雜化的P軌道中未配對的P電子O原子生成壹個∏ * *價鍵，所以
碳原子sp雜化-1
生成兩個δ鍵和兩個∏鍵，構型為線性。例如CO2、HCN、C2H2等。
在CO2分子中，C原子通過兩個sp雜化軌道與兩個O原子形成兩個δ * *價鍵，兩個非雜化P軌道上的兩個P電子和兩個O原子對稱的兩個P軌道上的三個P電子形成兩個三中心四電子的大∏鍵，所以CO2是兩個雙鍵。
在HCN分子中，C原子分別與H原子和N原子生成1 δ * * *價鍵，還與N原子生成兩個正常的∏ * *價鍵，所以在HCN分子中是1三鍵的單鍵。
碳原子sp雜化物-2
生成1 δ鍵、1 ∏鍵、1配位∏鍵和1孤對電子對，構型為線性。例如，在CO分子中，除了生成壹個δ * * *價鍵和1個正常∏ * *價鍵外，C原子未參與雜化的1個空P軌道可以接受來自O原子的壹對孤電子對形成配位鍵，因此CO分子中C和O之間有三個鍵。
碳原子不僅可以形成單鍵、雙鍵和三鍵，還可以形成長直鏈、環狀鏈、支鏈等。縱橫交錯，變化無窮，再加上氫、氧、硫、磷和金屬原子，構成了種類繁多的碳化合物。
二氧化碳
CO2是壹種無色無味的氣體，在大氣中約占0.03%，在海洋中約占0.014%。它也存在於火山噴射氣體和壹些泉水中。地面的CO2氣體主要來源於煤、石油、天然氣等含碳化合物的燃燒、碳酸鈣礦石的分解、動物的呼吸和發酵過程。當太陽光穿過大氣層時，CO2吸收波長為13~17nm的紅外線，就像給地球覆蓋了壹層巨大的塑料薄膜，使溫暖的紅外線不流失，使地球成為晝夜溫差很小的溫室。二氧化碳的溫室效應為生命提供了舒適的生活環境。它還提供生命的基本物質，是綠色植物光合作用的原料。每年通過光合作用，綠色植物轉化15？000億噸碳，轉化為纖維素、澱粉和蛋白質，並釋放出O2氣體供動物和人類食用。
綠色植物壹直維持著大氣中O2和CO2的平衡，但近年來，隨著世界工業的快速發展和由此產生的海洋汙染，大氣中的CO2越來越多，估計每年增加百萬分之二到四。這被認為是影響世界氣溫普遍上升的壹個重要因素。
關於CO2，我們從它的結構、性質和制備來介紹:
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，碳原子通過sp雜化軌道與氧原子結合。
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原子上的兩個未雜化的P軌道與sp雜化軌道成直角，分別與氧原子的P軌道並排重疊，形成兩個三中心四電子的離域鍵。因此，碳氧原子之間的距離縮短，CO2中的碳氧鍵具有壹定程度的三鍵特征。分子形狀由sp雜化軌道決定，CO2是線性分子。
二氧化碳的性質
CO2分子沒有極性，所以分子間作用力小，沸點低，鍵能大，原子間相互作用強，分子熱穩定性高。比如在2273K，CO2只分解了1.8%:
CO2臨界溫度高，在壓力下容易液化，液態CO2的汽化熱很高，在217K時為25.1kJ·mol-1。液態CO2自由蒸發時，壹部分CO2凝結成雪花狀固體，俗稱“幹冰”。這是壹種分子晶體。在常壓下，幹冰在194.5K不融化直接升華氣化，所以常用作制冷劑。
CO2是壹種酸性氧化物，可與堿發生反應。在工業上，生產純堿Na2CO3、小蘇打NaHCO3、碳酸氫銨NH4HCO3、鉛白顏料Pb (OH) 22pcbco3、啤酒、飲料、幹冰等都要消耗大量的CO2。
壹般來說，CO2不支持燃燒，當空氣中CO2含量達到2.5%時，火焰就會熄滅。因此，CO2是目前廣泛使用的滅火劑。而燃燒的鎂條在CO2氣體中能繼續燃燒，說明CO2不支持燃燒是相對的。
CO2不活潑，但在高溫下能與碳或鎂、鉛等活潑金屬反應；
CO2雖然無毒，但如果空氣中含量過高，也會使人因缺氧而窒息。進入地窖時，人們應該手持壹支燃燒的蠟燭。如果蠟燭熄滅，說明地窖內CO2濃度過高，暫時不適合進入。
二氧化碳的制備
工業上煆燒石灰石可用於生產石灰，釀酒工業可獲得大量的CO2副產品。
在實驗室中，碳酸鹽和鹽酸通常用於制備CO2:
壹氧化碳
壹氧化碳也是壹種無色無味的氣體。介紹了它的結構、性能和制備方法。
公司結構
壹氧化碳的性質
壹氧化碳的制備
公司結構
根據雜化軌道理論，在CO分子中，碳原子采用sp雜化與氧原子成鍵。
C原子的兩個p電子可以與O原子的兩個單p電子形成壹個δ鍵和壹個ω鍵，O原子的成對p電子也可以與C原子的壹個空2p軌道形成配位鍵。(配位鍵的定義:壹個原子提供的電子對被兩個原子利用形成的價鍵稱為配位鍵)。←表示配位鍵，箭頭指向接受電子對的原子。這裏，成鍵的電子對僅由O原子提供，C原子提供空的軌道來接受電子。它的結構式可以表示為:
根據分子軌道理論，從CO分子的分子軌道能級圖可以看出，C核外有四個價電子，其電子結構式為2s22p2；O核外有六個價電子，其電子結構式為2s22p4。由於C原子和O原子對應的原子軌道能量相近，相互重疊形成CO分子的分子軌道。CO分子的價鍵結構可以表示為:
[1]式中箭頭表示氧單方面為兩個原子提供壹對電子形成的價鍵，也叫配位鍵。
在式[2]中，配位鍵為∏，兩個點在壹邊，說明電子處於原子態時是在氧原子的軌道上，在CO分子形成後還是比較靠近氧核的。
這種含有配位鍵的三鍵結構可以滿意地解釋鍵能大、鍵長和偶極矩幾乎等於零的事實。如果沒有配位鍵，CO應該是壹個極性很大的分子，因為O原子的電負性遠大於C原子，但是配位鍵的存在使得O原子略帶正電，C原子略帶負電，兩個因素相互抵消，所以CO的偶極矩幾乎等於零。
CO分子和N2分子中分別有10個價電子。它們是等電子體，也稱為等電子分子。等電子分子的軌道電子排列和成鍵性質非常相似。
在CO分子中，由於C原子帶有輕微的負電荷，這個C原子更容易向其他具有空軌道的原子提供電子對，形成配位鍵，生成許多羰基化合物。這是CO分子的鍵能比N2分子的鍵能更活躍的壹個原因。
壹氧化碳的性質
(1)和壹氧化碳是良好的還原劑。
在高溫下，CO可以從許多金屬氧化物中獲取氧，並還原金屬。在冶金工業中使用焦炭作為還原劑，實際上對CO；
在室溫下，CO還能還原某些化合物中的金屬離子。如CO能使二氯化鈀溶液和銀氨溶液變黑，反應非常靈敏，可用於檢測微量CO的存在；
鈷是壹種重要的配體，可以與許多過渡金屬形成金屬羰基化合物。例如Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6。我們以Ni(CO)4為例來說明羰基化合物的成鍵特性。
在金屬羰基化合物中，co以c與金屬相連，從CO的分子軌道能級圖中，我們已經知道，壹方面，CO具有非鍵電子對(孤電子對)，可以給金屬原子空軌道，形成δ配位鍵。另壹方面，CO中存在壹個空的反鍵∏通道，可以接受金屬原子的D電子對，與金屬原子的D軌道重疊形成∏鍵。這種∏鍵被稱為反饋鍵或配位鍵，因為金屬原子單方面向配體(CO)的空軌道提供電子對。反饋鍵正好可以減少δ配位鍵形成導致的金屬原子上過多負電荷的積累。
羰基化合物中，金屬處於低氧化態，價電子較多，有利於反饋鍵的形成。例如在Ni(CO)4中，Ni原子化合價為零，價電子為3d84s2，Ni原子采用sp3雜化軌道接受CO提供的四個非鍵電子對形成δ配位鍵。此外，Ni原子上的D電子對反饋到CO的空反鍵∏ *軌道，產生反饋鍵。由於δ配位鍵和反饋鍵同時成鍵，金屬和CO生成的羰基化合物具有很高的穩定性。
羰基化合物通常毒性很高。CO對動物和人類的高毒性也來源於它的添加。可與血液中的血紅素(壹種鐵的絡合物)結合生成羰基化合物，使血液失去輸送氧氣的功能，導致組織缺氧。如果血液中50%的血紅素與CO結合，會引起心肌壞死。只要空氣中有1/800體積比的CO，半小時內就能致人死亡。(1aroman？CO相當活潑，很容易與O、S、H和鹵素F2、Cl2、Br2結合。
(1)壹氧化碳會在空氣中燃燒，產生二氧化碳，並釋放大量熱量:
②壹氧化碳與H2反應生成甲醇和壹些有機化合物；
③CO與S反應生成羰基硫；
④CO與鹵素F2、Cl2、Br2反應生成碳酰鹵，易被水分解，與氨反應生成尿素；
碳酰氯，又稱光氣，毒性極強。然而，它的產量很大，用於制造甲苯二異氰酸酯，這是生產聚氨酯塑料的中間體。
壹氧化碳的制備
實驗室制備壹氧化碳氣體的方法:
(1)，將甲酸滴入熱的濃硫酸中脫水；
(2)用濃硫酸加熱草酸晶體；
反應產生的混合氣體通過固體NaOH吸收CO2，得到純凈的CO氣體。
壹氧化碳氣體的工業制備方法；
工業CO的主要來源是水煤氣、發生爐煤氣和煤氣。
水煤氣CO和H2的等分子混合物，當空氣和蒸汽交替引入紅熱的碳層時獲得；
發生爐煤氣是CO和N2的混合物(CO占體積的壹半)，是有限量的空氣通過赤熱的碳層反應得到的；
氣體是壹氧化碳、H2、甲烷和二氧化碳的混合物。水煤氣、發生爐煤氣和煤氣都是重要的工業氣體燃料。
碳酸和碳酸鹽
CO2可溶於水生成H2CO3碳酸鹽，h2co 3是壹種弱酸，僅存在於水溶液中，pH值約為4。
H2CO3是壹種二元酸，能生成碳酸鹽和碳酸氫鹽兩種鹽。
在這兩個離子中，C原子采用sp2雜化軌道與四個外來電子形成四個鍵，離子為平面三角形。了解這兩種鹽在水中的溶解度、水解和熱穩定性是很重要的。
溶解度
水解
熱穩定性
溶解度
碳酸鹽:銨和堿金屬(鋰除外)的碳酸鹽易溶於水。其他金屬的碳酸鹽不溶於水。例如，(NH4)2CO3、Na2CO3和K2CO3溶於水，而CaCO3和MgCO3不溶於水。
碳酸氫鹽:對於不溶性碳酸鹽，相應的碳酸氫鹽有很大的溶解度。例如，不溶性碳酸鈣礦石在CO2和水的長期侵蝕下，可以部分轉化為Ca(HCO3)2而溶解；
對於可溶性碳酸鹽，其對應的碳酸氫鹽具有相對較低的溶解度。例如，當向濃碳酸銨溶液中通入CO2直至飽和時，可以析出NH4HCO3，這是工業生產碳酸氫銨肥料的基礎。
溶解度異常與HCO3-離子通過氫鍵形成二聚或多聚鏈有關:
水解
堿金屬和銨的碳酸鹽和碳酸氫鹽由於在水溶液中水解而分別呈強堿性和弱堿性；
在金屬鹽(堿金屬和銨鹽除外)的溶液中？CO32-離子，產物可能是碳酸鹽、堿式碳酸鹽或氫氧化物，是哪種產物？壹般來說:
(1)強堿性的氫氧根離子，即不水解的金屬離子，可以沈澱成碳酸鹽。例如:
(2)氫氧化物的弱堿性離子，如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Mg2+等。其溶解度與碳酸鹽相似，可沈澱成堿式碳酸鹽。例如:
(3)高水解性金屬離子，特別是氫氧化物溶度積小的兩性離子，如Al3+、Cr3+、Fe3+等。，會沈澱成氫氧化物。例如:
因此，碳酸鈉和碳酸銨常用作金屬離子的沈澱劑。
熱穩定性
熱不穩定性是碳酸鹽的壹個重要性質。壹般來說，存在以下熱穩定性順序:
堿金屬碳酸鹽>:堿土金屬碳酸鹽>:副族元素和過渡元素的碳酸鹽
在堿金屬和堿土金屬中，陽離子半徑大的碳酸鹽>陽離子半徑小的碳酸鹽。
加熱分解碳酸鹽的困難也與陽離子的極化有關。