碳元素

碳元素

碳(英文carbon,源自carbo,也就是木炭)這種物質發現得很早,常見的碳的自然形式有金剛石、炭和石墨。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、香水和塑膠,一直到鞋油、滴滴涕和炸葯等,範圍廣泛種類繁多。

  • 中文名稱
    碳元素
  • 外文名稱
    Carbon element
  • 自然形式
    金剛石、炭和石墨
  • 用途
    尼龍、汽油、香水

發現簡史

碳可以說是人類接觸到的最早的元素之一,也是人類利用得最早的元素之一。從人類在地球上出現以後,就和碳有了接觸,由于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"伙伴"了,所以碳在古代就已經是被人知道的元素。發現碳的精確日期是不可能查清楚的,從拉瓦錫(Lavoisier A L 1743-1794法國)1789年編製的《元素表》中可以看出,碳首先是作為元素出現的。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,碳在那時不是以一種元素的形式出現的而是一種純粹的燃素,由于研究煤和其它化學物質的燃燒,拉瓦錫首先指出碳是一種元素。

碳在自然界中存在有多種同素異形體──金剛石、石墨、石墨烯,碳納米管,C60,六方晶系隕石鑽石(藍絲黛爾石)。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個碳原子組成的一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

碳元素的拉丁文名稱Carbonium來自Carbon一詞,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》一書中。碳的英文名稱是Carbon。

單質簡介

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。先是一節碳鏈一節碳鏈地接長,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

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共價鍵,構成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結構。

由于金剛石晶體中C─C鍵很強,所有價電子都參與了共價鍵的形成,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。

金剛石俗稱鑽石,除用作裝飾品外,主要用于製造鑽探用的鑽頭和磨削工具,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共價單鍵,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餘一個未參加sp2雜化的p軌道,其中有一個未成對的p電子,同一層中這種碳原子中的m電子形成一個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。

由于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。

由于石墨能導電,有具有化學惰性,耐高溫,易于成型和機械加工,所以石墨被大量用來製作電極、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

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,進行了石墨的雷射氣化實驗。他們從所得的質譜圖中發現存在一系列由偶數個碳原子所形成的分子,其中有一個比其它峰強度大20~25倍的峰,此峰的質量數對應于由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一種形式排列時,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。由于受到建築學家Buckminster Fuller用五邊形和六邊形構成的拱形圓頂建築的啓發,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,隻有這樣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,剩餘的未參加雜化的一個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

碳六十的製備

用純石墨作電極,在氦氣氛中放電,電弧中產生的煙炱沉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、醫葯學各個領域,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套用前景。

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。用這種材料製成的電機,隻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。

無定形碳

焦炭,木炭,活性炭和炭黑。活性炭疏松多孔,有很強的吸附能力,可作防毒口罩的濾毒層,或作防毒面具的濾毒罐、凈水過濾器;炭黑常溫下非常穩定,故用炭黑墨汁繪的畫和書寫的字經久不變色。

成鍵特征

碳在元素周期表中屬第ⅣA族頭一名元素,位于非金屬性最強的鹵素元素和金屬性最強的鹼金屬之間。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,而是形成特有的共價鍵,它的最高共價數顯然為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σ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。

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σ共價鍵,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1個σ鍵,2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σ共價鍵外,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電子生成了一個∏共價鍵,所以在C和O原子之間是共價雙鍵,分子構型為平面三角形。

碳原子sp雜化-1

生成2個σ鍵,未雜化軌道生成2個Π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σ共價鍵,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σ共價鍵外,還與N原子生成了2個正常的∏共價鍵,所以在HCN分子中是一個單鍵,1個叄鍵。

碳原子sp雜化-2

生成1個σ鍵,1個∏鍵,未雜化軌道生成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原子除了生成一個σ共價鍵和1個正常的∏共價鍵外,C原子的未參加雜化的1個空的p軌道可以接受來自O原子的一對孤電子對而形成一個配位∏鍵,所以CO分子中C與O之間是叄鍵,還有1對孤電子對。

碳原子不僅僅可以形成單鍵雙鍵和叄鍵,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。

碳化合物

二氧化碳概述

CO2是無色、無臭的氣體,在大氣中約佔0.03%,海洋中約佔0.014%,它還存在于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,如同給地球罩上一層碩大無比的塑膠薄膜,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、淀粉和蛋白質,並且放出O2氣,供給動物和人類食用。

綠色植物一直維持著大氣中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污染,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一個重要因素。

二氧化碳的結構

在CO2分子中,碳原子採用sp雜化軌道與氧原子成鍵。

C原子的兩個sp雜化軌道分別與一個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中碳氧鍵具有一定程度的叄鍵特征。決定分子形狀的是sp雜化軌道,CO2為直線型分子。

一氧化碳概述

CO是無色、無臭、無味、有毒的氣體,標準狀況下氣體密度為l.25g/L,比空氣小,難溶于水

一氧化碳的結構

碳的最外層有四個電子氧的最外層有6個電子,這樣碳的兩個單電子進入到氧的p軌道和氧的兩個單電子配對成鍵,這樣就形成兩個鍵,然後氧的孤電子對進入到碳的空的P軌道中形成一個配鍵,這樣氧和碳之間就形成了三個鍵。其電子式為:C:::O :

碳元素

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