《紫微经·原子学》碳

发布日期：2025-08-07 21:51    点击次数：126

碳（Carbon），符号C，原子序数6，原子质量12.011克/摩尔，原子体积5.29cm3/mol。C的原子量是取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.011。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。1摩尔=6.02×1023个同位素同位素丰度（%）半衰期衰变类型衰变产物衰变能量C-1298.89稳定C-131.11稳定C-145730年释放1e氮N-14C-152.449秒C-160.747秒核结构碳C-12的核心由1个α粒子构成，核心表面分布着4个质子和4个中子。

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核反应[例1]宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应。自然界的碳C-14大部分是由宇宙射线中的电子轰击氮N-14产生的。N（2α、3p、3n）+1e→C（1α、4p、6n）动物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳C-14含量大致不变，动物死去后会停止呼吸，体内的碳C-14开始减少。因此，可通过检测碳C-14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称为“碳定年法”。碳C-14释放1个电子，衰变成氮N-14。C（1α、4p、6n）-1e→N（2α、3p、3n）[例2]1969年，美国的柏克来加州大学用11.36pj的碳C-12轰击锎Cf-249，人工合成“钅卢”Rf-257。C（1α、4p、4n）+Cf（48α、2p、55n）→Rf（50α、4p、53n）+4nRf（50α、4p、53n）-1α→No（50α、2p、51n）在同一核熔合反应中，人工合成“钅卢”Rf-258，并释放3个中子。C（1α、4p、4n）+Cf（48α、2p、55n）→Rf（50α、4p、54n）+3n还用11pj的碳C-13轰击锎Cf-249，人工合成“钅卢” Rf-259。C（1α、4p、5n）+Cf（48α、2p、55n）→Rf（50α、4p、55n）+3n[例3]用碳C-16轰击锫Bk-243，人工合成“钅杜”Db-259。C（1α、4p、6n）+ Bk（47α、3p、52n）→Db（50α、5p、54n）物理性质1.金刚石密度3513kg/m3，熔点3550℃，沸点4827℃（升华），摩尔体积5.29cm3/mol，莫氏硬度10，比热容710j/(kg·K)，电阻率1014欧姆/米，导热率129 W/m。2.石墨密度2260kg/m3，莫氏硬度1-2，石墨的导电方向是二维的，在平面之间的空隙导电。碳合物碳是第四族可变性原子，4个负极♀，电极强度5.30；2个正极♂，电极强度-4.20。范德华半径170pm。键负极强度正极强度键长(pm)键能(kj/mol)C-F5.30-9.9277+62=138485C-Cl5.30-8.0077+100=177328C=O5.30-7.76=120750.5C-O5.30-7.7677+68=143326C-Br5.30-5.8482+112=194276C≡N5.30-5.00=116891C=N5.30-5.00=135615C-N5.30-5.0077+71=148305C-H5.30-5.0065+44=109415C-I5.30-4.6483+131=214240C=S5.30-4.32=156536C-S5.30-4.3277+105=182272C-P5.30-4.25=187305C≡C5.30-4.2060+60=120837C=C5.30-4.2067+67=134611C-C5.30-4.2077+77=154347.7C-Si5.30-4.08=186347C-B5.30-3.84=1563931.结合反应C+2F2=CF4（4♀、1♂）C+2Cl2=CCl4（4♀、1♂）C+O2=点燃=CO2（4♀、2♂）C+O2=高温=CO（2♀、2♂）2CO+O2=点燃=2CO2CO2+H2O=H2CO3C+2S=CS2（4♀、2♂）C+2H2SO4(浓)=加热=CO2↑+2SO2↑+2H2OC+4HNO3(浓)=加热=CO2↑+4NO2↑+2H2O2.分解反应H2CO3=H2O+CO2↑CaCO3=高温=CaO+CO2↑3.置换反应2C+SiO2=Si+2CO ↑（碳5.30、硅5.20）C+FeO=Fe+CO ↑（碳5.30、铁5.04）3C+2Fe2O3=高温=4Fe+3CO2↑（碳5.30、铁5.04）2C+Fe3O4=高温=3Fe+2CO2↑（碳5.30、铁5.04）4CO+Fe3O4=高温=3Fe+4CO2↑（碳5.30、铁5.04）3CO+Fe2O3=高温=2Fe+3CO2↑（碳5.30、铁5.04）C+H2O=CO↑+H2↑（碳5.30、氢5.00）10C+P4O10=P4+10CO（碳5.30、磷5.00）C+2CuO=高温=2Cu+CO2↑（碳5.30、铜4.40）CO+CuO=加热=Cu+CO2↑（碳5.30、铜4.40）2KNO3+S+3C=点燃=K2S+3CO2↑+N2↑（碳5.30、硫4.00、氮3.00）4KNO3+2S+6C=点燃=K2S2+K2CO3+CO↑+4CO2↑+2N2↑（碳5.30、氮3.00）16KNO3+5S+16C=点燃=3K2SO4+K2S2+4K2CO3+12CO2↑+8N2↑（硫4.00、硫-4.32、碳5.30、氮3.00）10KNO3+3S+8C=点燃=3K2SO4+2K2CO3+6CO2↑+5N2↑（硫4.00、碳5.30、氮3.00）4.交换反应Na2CO3+2HCl（稀）=2NaCl+ H2O+CO2↑CaCO3+2HCl（稀）=CaCl2+H2O+CO2↑Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O有机物有机物是指含碳和氢原子的结合物。有机物中，碳的个数、排列及取代基的种类、位置都具有高度的随意性，因此造成了有机物种类繁多。C-C键牢固，不易断开。甲烷CH4+2O2-点燃→CO2+2H2O甲烷CH4-高温高压→C+2H2甲烷CH4+Cl2→CH3Cl+HClCH3Cl+Cl2→CH2Cl2+HClCH2Cl2+Cl2→CHCl3+HClCHCl3+Cl2-光照→CCl4+HCl氯仿2CHCl3+O2→2COCl2(光气)+2HClC2H5OH+3O2-点燃→2CO2+3H2OCH3COONa+NaHO-加热→Na2CO3+CH4葡萄糖水解：C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O麦芽糖水解：C12H22O11+H2O→2CH2OH(CHOH)4CHO赖脯胰岛素C257H383N65O77S6。簇合物1.金刚石中的每个碳原子有4条键，键长154皮米，键角109°28′，构成正四面体。金刚石是最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体的形式排列，每个碳原子与另外四个碳原子成键，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。熔点3550℃。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品，钻头材料等。2.石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。质软，有滑腻感，具有优良的导电性，石墨的导电方位是二维的，在平面之间的空隙导电，熔点3300℃。石墨中的每个碳原子有3条键，键长142皮米，键角120°，排列方式呈蜂巢式的六边形，每层之间有微弱的凝聚力。用途是制作铅笔，电极，电车缆线等。3.石墨烯是指碳原子的单层晶体片。石墨烯是一种二维晶体。石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子叠加而成的，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的单层结晶片就是石墨烯。石墨烯的最大特性是其中的电子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。2004年，英国的两名科学家用“撕胶带”的方式，用胶带黏在石墨上撕下，再用新胶带粘贴沾了石墨的胶带，如此反复，最终得到石墨烯。1mm厚的石墨烯中包含大约150万层石墨烯。4.足球烯是C60，晶体中有60个C原子，构成32个面，20个正六边形，12个正五边形。C60的X射线单晶衍射数据表明：[6、6]键长135.5皮米，[5、6]键长146.7皮米，因此[6、6]有更多双键的性质，也更容易被加成，加成产物也更稳定，而且六元环经常被看作是苯环，五元环被看作是环戊二烯或五元轴烯。C60有1812种异构体。5.富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起，熔沸点低，硬度小，绝缘。碳纳米管是中空富勒烯管。碳管通常只有几个纳米宽，但是他们的长度可以达到1微米甚至1毫米。碳纳米管通常是终端封闭的，也有终端开口的，还有一些是终端没有完全封口的。碳纳米管的独特分子结构导致它有奇特的宏观性质，如高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性和化学惰性（因为它是圆筒状或“平面状”，没有裸露原子被轻易取代）。一个潜在应用是做纸电池，这是2007年伦斯勒理工学院的一个新发现。另外一个可能应用是用做太空电梯的高强度碳缆。通过共价键将富勒烯吸附在碳纳米管外形成的纳米“芽”结构称作“纳米芽”。蓝丝黛尔石(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)(结构如图c)蜡石(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(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(小片堆成长链而形成的纤维)碳气凝胶(密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶)碳纳米泡沫(蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性)其他结构。无定形碳(不是真的异形体,内部结构是石墨)(结构如图g)合金碳和铁形成合金，最常见的是碳素钢。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。自然分布地壳中含量4800ppm，海水中含量23ppm。地球的碳原子丰度位于第17位。碳以无烟煤、石墨和钻石的形式存在，又以碳合物的形式存在，二氧合碳是大气中少量但极其重要的组分。金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩(火山筒)，它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”。1870年，在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩。晶体大小从不足1mm到6mm左右(平均4mm)。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨(有时称为“无定形体”)存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。碳循环自然界中的碳流动构成了“碳循环”。例如：植物从环境中吸收二氧合碳用来储存生物质能。一些生物质能通过捕食而转移，而一些碳以二氧合碳的形式被动物呼出。死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气，这些可以通过燃烧释放碳。用途碳很早就被人认识和利用，碳及其碳合物多种多样。生物体内绝大多数分子都含有碳原子。碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，没有它，生命不可能存在。焦炭、炭黑和活性炭被广泛运用于工业。焦炭可以用于烧烤、绘图材料和炼铁工业。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。除食物和木材以外，碳的主要经济利用是烃(最明显的是石油和天然气)的形式。原油由石化行业在炼油厂通过分馏过程来生产其他商品，包括汽油和煤油。纤维素是一种天然的含碳的聚合物，从棉、麻、亚麻等植物中获取。纤维素在植物中的主要作用的维持植物本身的结构。来源于动物的具有商业价值的聚合物包括羊毛、羊绒、丝绸等都是碳的聚合物，通常还包括规则排列在聚合物主链的氮原子和氧原子。石墨和黏土混合可以制用于书写和绘画的铅笔芯，石墨还能作为润滑剂和颜料，作为玻璃制造的成型材料，用于电极和电镀、电铸，电动马达的电刷，也是核反应堆中的中子减速材料；宝石级金刚石可作为首饰，工业用金刚石用于钻孔、切割和抛光，以及加工石头和金属的工具。研究历史1694年，意大利的阿韦拉尼和塔尔焦尼首先发现了钻石可以被加热摧毁。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。1722年，法国的列奥米尔证明铁通过吸收一些物质能变成钢，这种物质就是碳。1772年，法国的安东尼·拉瓦锡将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧合碳的量是相等的。1779年，瑞典的卡尔·威廉·舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物。1786年，法国克劳德·路易斯·贝尔托列，加斯帕尔·蒙日和凡德蒙德通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧合，证明了石墨几乎全部由碳组成。1796年，英国的史密森·坦南特展示了钻石燃烧后生成的仅仅是CO2，最终证明钻石只是碳的一种形式。1985年，美国德克萨斯州罗斯大学科学家发现足球烯。2025年3月9日，江苏无锡贝塔医药科技有限公司发布，烛龙一号核电池研制成功，能量密度是锂电池的50倍，碳C-14核电池可以持续放电1千年。 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