碳

性状

碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构，外观、密度、熔点等各自不同。

图1  碳的颜色和外表

碳的单质已知以多种碳同素异形体的形式存在：

石墨

钻石（金刚石）

富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯，化学式为C60）

无定形碳（Amorphous，不是真的异形体，内部结构是石墨）

碳纳米管（Carbonnanotube）

蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，与钻石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）

赵石墨（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）

纤维碳（Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维）

碳气凝胶（Carbonaerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）

碳纳米泡沫（Carbonnanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）

最常见的两种单质是高硬度的钻石和柔软滑腻的石墨，它们晶体结构和键型都不同。金刚石每个碳都是四面体4配位，类似脂肪族化合物；石墨每个碳都是三角形3配位，可以看作无限个苯环稠合起来。

常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。

同位素

目前已知的同位素共有十二种，有碳8至碳19，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达五千多年，其他的均全不足半小时。

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，被广泛用来测定古物的年代。

成键

碳原子一般是四价的，这就需要4个单电子，但是其基态只有2个单电子，所以成键时总是要进行杂化。最常见的杂化方式是sp3杂化，4个价电子被充分利用，平均分布在4个轨道里，属于等性杂化。这种结构完全对称，成键以后是稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。烷烃的碳原子也属于此类。

根据需要，碳原子也可以进行sp2或sp杂化。这两种方式出现在成重键的情况下，未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。烯烃中与双键相连的碳原子为sp2杂化。由于sp2杂化可以使原子共面，当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系。苯是最典型的共轭体系，它已经失去了双键的一些性质。石墨中所有的碳原子都处于一个大的共轭体系中，每一个片层有一个Ⅱnn。

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：一氧化碳、二氧化碳、二氧化三碳、一氧化二碳

碳酸盐、碳酸氢盐

氰一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐：氰、氧氰、硫氰

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，目前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，现已形成一门独立的分科有机化学。 

分布

碳存在于自然界中（如以金刚石和石墨形式），是煤、石油、沥青、石灰石和其它碳酸盐以及一切有机化合物的最主要的成分，在地壳中的含量约0.027%。碳是占生物体干重比例最多的一种元素。碳还以二氧化碳的形式在地球上循环于大气层与平流层。

在大多数的天体及其大气层中都存在有碳。

发现

金刚石和石墨史前人类就已经知道。富勒烯则于1985年被发现，此后又发现了一系列排列方式不同的碳单质。

同位素碳14于1940年被发现。

单质的精炼

钻石

钻石可以找到集中的块状矿藏，开采出来时一般都有杂质。用另外的钻石粉末将杂质削去，并打磨成形，即得成品。一般在切削、打磨过程中要损耗掉一半的质量。

石墨

在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。

测量古物中碳14的含量，可以得知其年代，这叫做碳14断代法。

石墨可以直接用作炭笔，也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的铅芯。金刚石除了装饰之外，还可使切削用具更锋利。无定形碳由于具有极大的表面积，被用来吸收毒气、废气。富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用。

碳是钢的成分之一。

碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。碳化合物一般从化石燃料中获得，然后再分离并进一步合成出各种生产生活所需的产品，如乙烯、塑料等。