(C)元素


化学元素被归为非金属。碳自古以来就为人所知。其发现者和发现日期不详。

属性描述
英文名Carbon
分类碳是非金属
颜色黑色(石墨),透明(钻石)
原子量12.011
状态固态
熔点3550 ℃, 3823 K
注:在常压下,碳在加热时不熔化,而是升华。也就是说,它直接经历了从固体到气体的相变。如果压力增加到10大气压,观察到碳(石墨)在3550℃熔化。
沸点3825 ℃, 4098 K
当升华石墨以上的水蒸气压力达到1大气压时,所引用的沸点就被记录下来。
电子数6
质子数6
最富同位素中的中子6
电子层数2,4
电子构型1s2 2s2 2p2
Density @ 20℃:2.267 g/cm3 (gr), 3.513 g/cm3 (di)

碳元素的发现

自古以来,碳就以煤烟、木炭、石墨和钻石的形式存在。当然,古代文化没有意识到这些物质是同一种元素的不同形式

法国科学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)将碳命名为Carbon,并进行了各种实验来揭示它的性质。

1772年,他和其他化学家一起集资购买了一颗钻石,并把它放在一个密封的玻璃瓶中,用一个巨大的放大镜将太阳光线聚焦在钻石上,然后看到钻石燃烧并消失。

碳纳米管结构模型
碳纳米管结构模型

拉瓦锡注意到,罐子的整体重量没有改变,当它燃烧时,钻石与气结合形成了二氧化碳。他得出结论,金刚石和木炭是由同一种元素——碳构成的。

1779年,瑞典科学家卡尔·舍勒(Carl Scheele)指出,石墨燃烧后形成二氧化碳,因此必然会形成另一种形式的碳。

拉瓦锡在燃烧实验中使用一个巨大的透镜
拉瓦锡在燃烧实验中使用一个巨大的透镜

1796年,英国化学家史密斯森·坦南特(Smithson Tennant )确定钻石是纯碳,而不是碳的化合物;钻石燃烧后只产生二氧化碳。

坦南特还证明,当同样重量的木炭和钻石被燃烧后会产生同样数量的二氧化碳。

1855年,英国化学家本杰明·布罗迪(Benjamin Brodie)从碳中制出了纯石墨,证明石墨是碳的一种形式。

石墨烯表面含有氧化铟锡纳米颗粒
石墨烯表面含有氧化铟锡纳米颗粒,这有助于确保两个铂纳米颗粒(蓝色)在燃料电池中的催化性能。图片:PNL

尽管之前的尝试都没有成功,但在1955年,美国科学家弗朗西斯·邦迪(Francis Bundy)和他在通用电气的同事们终于证明了石墨可以在高温高压下变成钻石。

1985年,罗伯特·库尔、哈里·克罗托和理查德·斯莫利发现了富勒烯,这是一种碳原子排列成足球形状的新形式。最著名的富勒烯是巴克敏斯特富勒烯,也被称为C60,由60个碳原子组成。富勒烯存在一大家族,从C20开始,一直到C540。

最近发现的碳的同素异形体是石墨烯,由一层排列成六边形的碳原子组成。如果这些层堆叠在一起,就会得到石墨。石墨烯只有一个原子的厚度。

2004年,克斯特亚·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)和安德烈·海姆(Andre Geim)宣布了石墨烯的发现,他们用胶带从石墨上分离出一层原子,从而产生了新的同素异素。

关于碳的有趣事实

煤和钻石
左图:煤(主要为无定形碳)在空气中的燃烧。右:钻石(结晶碳)。

  • 生物大约20%的重量是碳。
  • 已知含有碳的化合物比不含碳的化合物多。
  • 碳是宇宙中第四丰富的元素。
  • 尽管碳的含量很高,我们还是把它的存在归功于一系列不太可能的环境
  • 金刚石是一种优秀的磨料,因为它是最硬的普通材料,也有最高的热导率。可以磨碎任何物质,而摩擦产生的热量会被迅速带走。
  • 人体内的碳原子都曾经是大气中二氧化碳的一部分。
  • 石墨烯是目前已知的最薄、最强的材料
  • 石墨烯是由二维原子晶体构成的,这种结构首次被发现
  • 典型的机械铅笔的石墨直径为0.7毫米。这相当于200万层石墨烯。
  • 汽车轮胎是黑色的,因为其中大约有30%是碳黑,添加到橡胶中增强橡胶的强度。碳黑还有助于防止紫外线对轮胎的损害。
  • 碳是恒星在核聚变反应中燃烧时产生的。碳是氦燃烧形成的“灰”的一部分。
  • 碳在重恒星中发生核聚变反应,生成和氧。

外观和特性

危害:

纯碳的毒性很低。吸入大量的炭黑粉尘(煤烟/煤尘)会对肺部造成刺激和损害。

特点:

巴克明斯特富勒烯(巴克球)
Nasa的红外太空望远镜斯皮策已经确认了巴克明斯特富勒烯(巴克球),其质量相当于我们在小麦哲伦星云矮星系中的15个卫星。图片:NASA/JPL-Caltech。

地球上的巴克球
地球上的巴克球中发现了外星稀有气体氦-3和氩-36的原子。巴基球来自彗星或小行星,在与2.5亿年前二叠纪-三叠纪大灭绝有关的岩石中被发现。想象一下Don Davis和Hajv01。

碳的八种同素异形体
碳的八种同素异形体的结构:A)钻石b)石墨c)朗斯代尔石d) C60(巴克敏斯特富勒烯)e) C540富勒烯f) C70富勒烯g)非晶态碳h)单壁碳纳米管。

碳可以以几种不同的三维结构存在,其原子的排列方式不同(同素异形体)。

三种常见的晶体同素异形体是石墨、金刚石和富勒烯(通常)。石墨烯具有二维晶体结构。(富勒烯有时可以以无定形形式存在。)

碳也可以以非晶态存在。许多通常被描述为无定形的同素异形体,然而,如玻璃碳、煤烟或碳黑通常有足够的结构不是真正的无定形。虽然已经观察到结晶纳米管,但它们通常是无定形的。

有趣的是,石墨是最软的物质之一,而直到最近,金刚石一直被认为是最硬的自然存在的物质。

以纯净形式计算,一种极其稀有的碳同素异形体六方碳比金刚石强58%。六方碳是一种类似钻石的碳网络,具有石墨的六边形结构。由含石墨的陨石撞击到另一个物体(例如地球)而形成的。冲击的高温和高压将石墨转变为六方碳。

碳在所有元素中具有最高的熔点/升华点,以金刚石形式存在的碳在所有元素中具有最高的热导率。

钻石的高导热性是俚语“冰”的起源。“在正常的室温下,人的体温比房间里的温度要高——如果你碰巧躺在周围的大钻石也是如此。”如果触摸这些钻石中的任何一种,它们的高导热性将热量从你皮肤上带走的速度比任何其他材料都要快。你的大脑将这种从皮肤上快速传递的热量理解为你正在接触非常冷的东西——所以室温下的钻石感觉像冰。

碳的使用

碳(以煤的形式,主要是碳)被用作燃料。

石墨可用于铅笔尖、高温坩埚、干电池、电极和润滑剂。

钻石用于珠宝,也用于工业切割、钻孔、研磨和抛光。

炭黑用作印刷油墨的黑色颜料。

碳可以与形成合金,其中最常见的是碳钢。

14C放射性同位素被用于考古年代测定。

碳化合物在化学工业的许多领域都很重要——碳与、氧、和其他元素形成大量的化合物。

碳同位素及丰度

地壳:按重量200ppm,按摩尔为344ppm

丰度太阳系:按重量是3000ppm,按摩尔300ppm

来源

碳可以通过在氧不足的情况下燃烧有机化合物而获得。碳的四种主要同素异形体是石墨、金刚石、无定形碳和富勒烯。

古老火山的金伯利岩中发现了天然钻石。

石墨也可以在自然矿床中找到。

富勒烯是20世纪80年代在分子束实验中发现的副产品。

无定形碳是木炭、煤烟(炭黑)和活性炭的主要成分。

同位素

有13个半衰期已知的同位素,质量数为8至20。天然存在的碳是两种同位素的混合物,发现的百分比为12C(99%)和13C(1%)。 同位素14C的半衰期为5730年,被广泛用于对含碳物质(例如木材,考古标本等)进行年代测定。适用于大约4万岁的年龄。

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