碳的物理化学性质

　　碳是一种非金属元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。接下来学习啦小编为你整理了碳的物理化学性质，一起来看看吧。

　　碳的物理性质

　　同位素

　　现代已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，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5730年，其他的为稳定同位素。 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，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。

　　备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

　　同素异形体

　　金刚石 碳

　　以无烟煤(一种煤炭类型)，石墨和钻石的形式天然的存在，历史上更容易得到的是煤灰或木炭。最终这些不同的材料被认为是由相同的元素形成的。不惊奇的是，钻石是最难确认的。来自佛罗伦萨(意大利)的博物学者Giuseppe Averani和医学工作者Cipriano Targioni首先发现了钻石是可以被加热摧

　　毁的。在1694年他们使用一个大型放大镜聚集阳光到钻石上，宝石最终消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重复了这个实验。之后，在1796年，英国化学家Smithson Tennant展示其燃烧后生成的仅仅是CO2而最终证明了钻石只是碳的一种形式。

　　金刚石是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。金刚石的熔沸点高，熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。在金刚石分子中，每一个碳原子都被另外四个碳原子包围着，这些碳原子以很强的结合力连接在一起，形成了一个巨大的分子，因此金刚石很坚硬。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品，钻头材料等。

　　石墨 石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨属于混合型晶体，既有原子晶体的性质又有分子晶体的性质。质软，有滑腻感，具有优良的导电性能。熔沸点高。石墨分子中每一个碳原子只与其他三个碳原子以较强的力结合，形成了一种层状的结构，而层与层之间的结合力较小，因此石墨可以作为润滑剂。用途是制作铅笔，电极，电车缆线等。

　　足球烯 1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。一个C60分子中有60个C原子，构成32个面，20个正六边形，12个正五边形。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。(结构如图d,e,f)属于分子晶体，熔沸点低，硬度小，绝缘。

　　蓝丝黛尔石(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)

　　蜡石(Chaoite，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)碳纤维(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)

　　石墨烯 是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

　　其他结构 无定形碳(Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨)

　　碳的化学性质

　　单质

　　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

　　化学方程式：

　　C+O2==点燃==CO2(化合反应)

　　在空气中燃烧

　　放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液(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：

　　氧气充足时化学方程式：

　　C+O2==点燃==CO2(化合反应)

　　氧气不足时化学方程式：

　　2C+O2==点燃==2CO(化合反应)

　　作为还原剂

　　碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质(但生成物不同)，都可以从金属氧化物中还原出金属单质。

　　碳还原氧化铜：

　　C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑(置换反应)

　　碳还原氧化铁：

　　3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑(置换反应)

　　碳还原二氧化碳：

　　C+CO2==高温==2CO(化合反应)

　　但是，碳在密封空间与高锰酸钾共热，高锰酸钾会分解出氧气，碳会迅速氧化，会发生爆炸。

　　与强氧化性酸反应：

　　C+2H2SO4(浓)==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O

　　C+4HNO3(浓)==加热==CO2↑4NO2↑+2H2O

　　稳定性

　　碳在“常温”下具有稳定性，不易反应，故古代名画现代能保存，书写档案要用碳素墨水

　　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、碳化物、碳的硫属化合物、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰及一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，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，现代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，已形成一门独立的分科——有机化学。

　　毒理性质

　　纯碳具有极低的对人体的毒性，并可以处理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取。碳可以抵抗溶解或化学侵蚀，例如，即使是面对消化道内的酸性物质。因此它一旦进入人体组织后可能会无期限存留。炭黑可能是最早用来纹身的颜料之一，如冰人奥兹被发现有炭黑纹身，这些纹身从他存活开始一直到他死后5200年后都一直存在。然而，吸入大量煤炭(或炭黑)粉尘或烟尘是危险的，它们会刺激肺组织，并引起充血性肺病煤工尘肺。相似的，金刚石磨粉被误食或吸入也会有危险。

　　碳对地球上几乎所有生物都是低毒的，然而对某些生物是有毒的，例如碳纳米颗粒对果蝇是致命的。碳化合物种类繁多，既有致命毒素如河豚毒素、从蓖麻种子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物种如葡萄糖、蛋白质。