碳元素 (carbonel ement)

简称碳，是化学元素周期表上第六号元素，又是第四主族ⅣA的第一个元素，符号为C，原子核上带有6个正电荷。

碳原子中有6个核外电子。碳原子的存在状态和能量的高低取决于这些电子的运动状态和能量的大小。当碳原子处于能量最低的基态时，这些电子分属于两层(主量子数分别为1和2)，内层有两个15电子，外层有两个2s电子和两个2p电子(角量子数为0和1的电子，分别用S和P来表示)。碳原子的基态为：

(1s)2(2s)2(2p)2

式中(1s)2和(2s)2都构成闭壳层，只有两个P电子属于开壳层，这样的电子组态称为P型。碳元素所在的第四主族元素均为P型。两个闭壳层中的电子，从量子化学的原理来看，状态是惟一的。开壳层中的两个P电子可以有15种状态，其中以具有光谱支项3P0的状态，其能量为最低，所以碳原子的基态又常用符号3P0来表示。(见碳的光谱与能谱)

4个外层电子称为碳的价电子。碳原子本身之间，以及碳原子和其他原子之间的互相化合，就是原子间价电子运动状态的重新取向和互相叠合。(见碳原子的杂化轨道)

中国学者对非化合态在基态下的自由碳原子的能量，用严格的从头计算法，进行了精确的计算，见表1。

碳的存在

自然界中的稳定碳元素，有C-12和C-13两种，其质量数分别为12和13。C-12在数量上占绝对优势，丰度为98．892%，C-13仅占1.108%。C一12的原子核由6个质子和6个中子组成，自旋为零。C-13的原子核由6个质子和7个中子组成，自旋为1/2。1961年国际纯粹与应用化学联合会(IU—PAC)通过决议，用C-12取代氧作为原子量的标准，把C-12的原子量规定为12，称为原子量的碳标(Carbonscale)。天然碳元素是C-12和C-13的混合物。以碳标为准，天然碳元素(C)的原子量确定为

12．01115±0．00005

这是用化学方法测量其他元素原子量的一个实用标准。自然界中除稳定的碳元素之外，还有放射性碳元素C-14；此外还有人造碳元素。这些碳元素统称为碳的同位素，目前已知的一共有12种。

天然石墨、天然金刚石是碳的单体。碳的单体，不断产生，同时又因植物的光合作用而不断消耗，自然界中的这种碳循环使大气中二氧化碳的含量，始终大体保持恒定(图1)。

太阳及其他炽热恒星所以能不断释放出大量能源于热核反应。一部分热核反应通过碳氮循环为碳的同素异形体。地壳中碳的存在形式主要为碳是C-12。C-13。

生成碳分子的试验中发现了著名的富勒碳。太阳及EPEh4个氢核合成一个氦核，同时将0.029原其他恒星上、彗星以及太阳系大多数行星的大气中子单位的质量转化为能量。每一循环释放出的能量都存在着碳。火星大气中含二氧化碳达96.2%。在达近30MeV之巨。

一些陨石中曾发有极细的会刚石。在德周的一个碳的性质陨石坑中发现了一种碳的新形态——白石墨。单质碳的物理和化学性质取决于碳原子间的结碳循环合状态晶体结构。高硬度的金刚石和柔软的石大气中的二氧化碳，由于煤炭、石油的燃烧而不墨，各有其特定的性能。

单质碳不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂，在高温下，碳与氧直接反应，生成二氧化碳或一氧化碳。在卤紊中，只有氟能与单质碳直接反应。在加热下，单质碳，尤其是无定形碳，较易被浓硝酸、浓硫酸等氧化成二氧化碳、苯六羧酸或石墨酸等。碳还能与许多金属反应，生成金属碳化物。

碳的化合物

碳的化合物种类繁多、数量巨大，除氢之外，居于各元素之首，并以迅猛的速度继续攀升。有机物实际上都是碳的化合物。有机化学、化学中这一庞大分支，就是以碳的化合物为研究对象的一门科学。无机碳化合物，相对来说，数量甚少。

碳的无机化合物碳可以与氧、卤族元素以及许多金属、非金属化合，构成碳的无机化合物。

氧化物碳与氧可生成多种化合物：CO、CO2、CO3、C 3O2、C2O、C5O2、C11O9等，其中(CO、CO2较为重要，其次是C 3O2。二氧化三碳是一种难闻的无色气体，熔点-111.3 。，沸点7℃。在室温或高于室温时，会发生聚合，生成聚合物，但在-78℃下可长时期存放(见红炭)。

卤化物碳的卤化物，主要有气态的CF4、液态的CCl4和固态的CBr4和Cl4。它们都是具有四面体结构的共价化合物。此外还有各种混合卤化物，如CF2Cl2，是一种常用的冷冻剂。氟碳聚合物(CF)n，是人造血中的主要成分，常称为氟碳。

碳化物碳可与许多金属形成碳化物，其中最常见的是碳化钙(Caca)，俗称电石。碳与钛、锫、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨等金属生成的碳化物，具有高硬度、高熔点和高化学稳定性等特点。碳化硅(SiC)是炭素工业的一种重要原料。渗硅炭材、掺硅热解石墨等炭素制品，其中均含有SiC；特别是半石墨质碳化硅炭砖，是一种重要的大型高炉内衬材料。

羰基络合物及其他一氧化碳可与金属和非金属络合，形成羰基络合物和羰基金属，如羰基铁[Fe(CO)4、Fe(CO)5、Fe2(CO)4]、羰基钴[CO(C0)12、CO(CO)8]等，碳还可与硫生成二硫化碳C是与氮生成氰[(CN)2]，进而生成氰化氢，氰氢酸及其盐类等。

碳的有机化合物碳原子的突出特点，除能与大多数元素互相化合之外，碳原子之间还能互相连接，构成链状或环状结构，甚至可以构成巨大的闭合

的笼状结构。组成碳链、碳环、碳笼的碳原子数目可常称为异元素。由六个碳原子组成的碳环，呈平面状，称为苯环。以苯环为结构单元组成的化合物称苯型芳香化合物，有时简称为芳香化合物，其特点是分子中具有离域丌电子。这类化合物在炭素材料科学上占有重要的地位。(见多环芳烃)按碳原子互相连接的情况，有机化合物可分为：1．脂肪类，开链，如脂肪酸、石蜡等；2．脂环类，既有开链，又有环链，如樟脑、辣椒素等；3．芳香类，如萘、蒽、芘等；4．杂环类，碳环中有杂原子，如吡啶、呋喃等；5．其他，如具有空间封闭结构的笼碳、含有超碳原子的超碳化合物等。配位数为5或5以上的碳原子，称为超配位碳，简称超碳(hypercarbon)。

到1990年，已知的有机化合物已达700万以上，并且仍在增加，但与碳元素可能形成的化合物数量相比，仍然是极少的。碳链或碳环的异构体数十分巨大，如6个碳原子构成的开链烃(己烷)，有5种异构体(图2)，每一种都已确知其存在。由20个和25个碳原子组成的开链烃，其异构体数分别可达36万和3679万之多，其中只有极少一部分，经过分离鉴定，确知其存在。

再以在炭素材料中占有重要地位的多环缩合芳烃为例，由4个苯环缩合成的芳烃有7个异构体，都为已知(图3)，由8个苯环缩合成的芳烃有1448个，已知的却只有少数几个。1990年首次制备成功的炭紊新成员—富勒碳60C、70C等，在碳化合物家族中类似19世纪发现的苯。以富勒碳为结构单元又可产生大量的新化合物。已知的碳化合物，数量之大虽已达到惊人的地步，但与可能性相比，仍不过是沧海一粟。

连接氢、卤紊、氧、氮、硫等其他元素。在碳的骨架之与碳同属ⅣA族的硅却不能形成众多的硅化合r中，也可以有其他元素掺杂进去。这些掺杂的元素物，这是因为Si—Si的键能为176.7kJ/mol，比C-C的键能345kJ/mol小得多。硅键不够稳定．不能形成长链，在空气中易氧化成为SiQ。在已知的103种元素中，只有碳原子能互相连接，形成众多而巨大的分子。这也是炭素材料之所以能形成，并且种类繁多、层出不穷的基本原因。

碳原子依靠键能与其他元素互相结合，而碳原互相化合时，碳原子中能级相近的几个原子轨道可以互相混合，产生新的原子轨道；这种新轨道称为杂化轨道，这一过程称为杂化。杂化轨道概念是量子化学中处理分子构型的一种理论，1931年首先由波林(L．C．Pauling)提出。最初这一概念仅属于价键理论的范畴，后来分子轨道理论(MO)中的定域模型也采用杂化轨道为组合基函。