碳的物理化學(xué)性質(zhì)
碳是一種非金屬元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。接下來(lái)學(xué)習(xí)啦小編為你整理了碳的物理化學(xué)性質(zhì)，一起來(lái)看看吧。
碳的物理性質(zhì)
同位素
現(xiàn)代已知的同位素共有十五種，有碳8至碳22，其中碳12和碳13屬穩(wěn)定型，其余的均帶放射性，當(dāng)中碳14的半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年，其他的為穩(wěn)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則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權(quán)的平均值，一般計(jì)算時(shí)取12.01。碳12是國(guó)際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數(shù)為1摩爾。碳14由于具有較長(zhǎng)的半衰期，衰變方式為β衰變，碳14原子轉(zhuǎn)變?yōu)榈?且碳是有機(jī)物的元素之一，生物在生存的時(shí)候，由于需要呼吸，其體內(nèi)的碳14含量大致不變，生物死去后會(huì)停止呼吸，此時(shí)體內(nèi)的碳14開(kāi)始減少。人們可透過(guò)傾測(cè)一件古物的碳14含量，來(lái)估計(jì)它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。
符號(hào)
|
質(zhì)子
|
中子
|
質(zhì)量(u)
|
半衰期
|
核自旋
|
相對(duì)豐度
|
相對(duì)豐度變化量
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
8 C
|
6
|
2
|
8.037675(25)
|
2.0(4) x 10-21s[230(50) keV]
|
0+
|
||
|
9 C
|
6
|
3
|
9.0310367(23)
|
126.5(9) ms
|
(3/2-)
|
||
|
10 C
|
6
|
4
|
10.0168532(4)
|
19.290(12) s
|
0+
|
||
|
11 C
|
6
|
5
|
11.0114336(10)
|
20.334(24) min
|
3/2-
|
||
|
12 C
|
6
|
6
|
12 by definition
|
穩(wěn)定
|
0+
|
0.9893(8)
|
0.98853-0.99037
|
|
13 C
|
6
|
7
|
13.0033548378(10)
|
穩(wěn)定
|
1/2-
|
0.0107(8)
|
0.00963-0.01147
|
|
14 C
|
6
|
8
|
14.003241989(4)
|
5.70(3) x 103 years
|
0+
|
||
|
15 C
|
6
|
9
|
15.0105993(9)
|
2.449(5) s
|
1/2+
|
||
|
16 C
|
6
|
10
|
16.014701(4)
|
0.747(8) s
|
0+
|
||
|
17 C
|
6
|
11
|
17.022586(19)
|
193(5) ms
|
(3/2+)
|
||
|
18 C
|
6
|
12
|
18.02676(3)
|
92(2) ms
|
0+
|
||
|
19 C
|
6
|
13
|
19.03481(11)
|
46.2(23) ms
|
(1/2+)
|
||
|
20 C
|
6
|
14
|
20.04032(26)
|
16(3) ms [14(+6-5) ms]
|
0+
|
||
|
21 C
|
6
|
15
|
21.04934(54)#
|
<30 ns
|
(1/2+)#
|
||
|
22 C
|
6
|
16
|
22.05720(97)#
|
6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]
|
0+
|
備注：畫(huà)上#號(hào)的數(shù)據(jù)代表沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的證明，只是理論推測(cè)而已，而用括號(hào)括起來(lái)的代表數(shù)據(jù)不確定性。
同素異形體
金剛石 碳
以無(wú)煙煤(一種煤炭類型)，石墨和鉆石的形式天然的存在，歷史上更容易得到的是煤灰或木炭。最終這些不同的材料被認(rèn)為是由相同的元素形成的。不驚奇的是，鉆石是最難確認(rèn)的。來(lái)自佛羅倫薩(意大利)的博物學(xué)者Giuseppe Averani和醫(yī)學(xué)工作者Cipriano Targioni首先發(fā)現(xiàn)了鉆石是可以被加熱摧
毀的。在1694年他們使用一個(gè)大型放大鏡聚集陽(yáng)光到鉆石上，寶石最終消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。之后，在1796年，英國(guó)化學(xué)家Smithson Tennant展示其燃燒后生成的僅僅是CO2而最終證明了鉆石只是碳的一種形式。
金剛石是最為堅(jiān)固的一種碳結(jié)構(gòu)，其中的碳原子以晶體結(jié)構(gòu)的形式排列，每一個(gè)碳原子與另外四個(gè)碳原子緊密鍵合，成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔沸點(diǎn)高，熔點(diǎn)超過(guò)3500℃，相當(dāng)于某些恒星表面溫度。在金剛石分子中，每一個(gè)碳原子都被另外四個(gè)碳原子包圍著，這些碳原子以很強(qiáng)的結(jié)合力連接在一起，形成了一個(gè)巨大的分子，因此金剛石很堅(jiān)硬。金剛石是絕緣體。用途是作裝飾品，鉆頭材料等。
石墨 石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細(xì)鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質(zhì)又有分子晶體的性質(zhì)。質(zhì)軟，有滑膩感，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。熔沸點(diǎn)高。石墨分子中每一個(gè)碳原子只與其他三個(gè)碳原子以較強(qiáng)的力結(jié)合，形成了一種層狀的結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合力較小，因此石墨可以作為潤(rùn)滑劑。用途是制作鉛筆，電極，電車?yán)|線等。
足球烯 1985年由美國(guó)德克薩斯州羅斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。一個(gè)C60分子中有60個(gè)C原子，構(gòu)成32個(gè)面，20個(gè)正六邊形，12個(gè)正五邊形。富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)鍵合在一起。(結(jié)構(gòu)如圖d,e,f)屬于分子晶體，熔沸點(diǎn)低，硬度小，絕緣。
藍(lán)絲黛爾石(Lonsdaleite，與金剛石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石)
蠟石(Chaoite，石墨與隕石碰撞時(shí)產(chǎn)生，具有六邊形圖案的原子排列)
汞黝礦結(jié)構(gòu)(Schwarzite，由于有七邊形的出現(xiàn)，六邊形層被扭曲到“負(fù)曲率”鞍形中的假想結(jié)構(gòu))碳纖維(Filamentous carbon，小片堆成長(zhǎng)鏈而形成的纖維)
碳?xì)饽z(Carbon aerogels，密度極小的多孔結(jié)構(gòu)，類似于熟知的硅氣凝膠)
碳納米泡沫(Carbon nanofoam，蛛網(wǎng)狀，有分形結(jié)構(gòu)，密度是碳?xì)饽z的百分之一，有鐵磁性)
石墨烯 是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
其他結(jié)構(gòu) 無(wú)定形碳(Amorphous，不是真的異形體,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是石墨)
碳的化學(xué)性質(zhì)
單質(zhì)
在氧氣中燃燒
劇烈放熱，發(fā)出刺眼白光，產(chǎn)生無(wú)色無(wú)味能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體
化學(xué)方程式：
C+O2==點(diǎn)燃==CO2(化合反應(yīng))
在空氣中燃燒
放熱，持續(xù)紅熱，產(chǎn)生無(wú)色無(wú)臭能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體CO2;當(dāng)燃燒不充分，即氧氣量不足時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳：
氧氣充足時(shí)化學(xué)方程式：
C+O2==點(diǎn)燃==CO2(化合反應(yīng))
氧氣不足時(shí)化學(xué)方程式：
2C+O2==點(diǎn)燃==2CO(化合反應(yīng))
作為還原劑
碳作為還原劑擁有和氫氣、一氧化碳相似的化學(xué)性質(zhì)(但生成物不同)，都可以從金屬氧化物中還原出金屬單質(zhì)。
碳還原氧化銅：
C+2CuO==高溫==2Cu+CO2↑(置換反應(yīng))
碳還原氧化鐵：
3C+2Fe2O3==高溫==4Fe+3CO2↑(置換反應(yīng))
碳還原二氧化碳：
C+CO2==高溫==2CO(化合反應(yīng))
但是，碳在密封空間與高錳酸鉀共熱，高錳酸鉀會(huì)分解出氧氣，碳會(huì)迅速氧化，會(huì)發(fā)生爆炸。
與強(qiáng)氧化性酸反應(yīng)：
C+2H2SO4(濃)==加熱==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3(濃)==加熱==CO2↑4NO2↑+2H2O
穩(wěn)定性
碳在“常溫”下具有穩(wěn)定性，不易反應(yīng)，故古代名畫(huà)現(xiàn)代能保存，書(shū)寫(xiě)檔案要用碳素墨水
化合物
碳的化合物中，只有以下化合物屬于無(wú)機(jī)物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫?qū)倩衔?、二硫化?CS2)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰及一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，其它含碳化合物都是有機(jī)化合物。
由于碳原子形成的鍵都比較穩(wěn)定，有機(jī)化合物中碳的個(gè)數(shù)、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機(jī)物數(shù)量極其繁多這一現(xiàn)象，現(xiàn)代人類發(fā)現(xiàn)的化合物中有機(jī)物占絕大多數(shù)。有機(jī)物的性質(zhì)與無(wú)機(jī)物大不相同，它們一般可燃、不易溶于水，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，已形成一門(mén)獨(dú)立的分科——有機(jī)化學(xué)。
毒理性質(zhì)
純碳具有極低的對(duì)人體的毒性，并可以處理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地?cái)z取。碳可以抵抗溶解或化學(xué)侵蝕，例如，即使是面對(duì)消化道內(nèi)的酸性物質(zhì)。因此它一旦進(jìn)入人體組織后可能會(huì)無(wú)期限存留。炭黑可能是最早用來(lái)紋身的顏料之一，如冰人奧茲被發(fā)現(xiàn)有炭黑紋身，這些紋身從他存活開(kāi)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)粉塵或煙塵是危險(xiǎn)的，它們會(huì)刺激肺組織，并引起充血性肺病煤工塵肺。相似的，金剛石磨粉被誤食或吸入也會(huì)有危險(xiǎn)。
碳對(duì)地球上幾乎所有生物都是低毒的，然而對(duì)某些生物是有毒的，例如碳納米顆粒對(duì)果蠅是致命的。碳化合物種類繁多，既有致命毒素如河豚毒素、從蓖麻種子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物種如葡萄糖、蛋白質(zhì)。
碳的物理化學(xué)性質(zhì)
