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2021-07-16 12:27:04

资料专题:碳基本信息汇总表

Carbon,拉丁文意为煤炭)是一种化学元素,符号为C原子序数为6,位于元素周期表中的IV A族,属于非金属。每个碳原子有四颗能够进行键合的电子,因此其化合价通常为4。自然产生的碳由三种同位素组成:CC稳定同位素,而C则具放射性,其半衰期约为5,730年。碳是少数几个自远古就被发现的元素之一(见化学元素发现年表)。

碳的同素异形体有数种,最常见的包括:石墨、钻石及无定形碳。这些同素异形体之间的物理性质,包括外表、硬度、电导率等等,都具有极大的差异。在正常条件下,钻石、碳纳米管和石墨烯的热导率是已知材质中最高的。

所有碳的同素异形体在一般条件下都呈固态,其中石墨的热力学稳定性最高。它们不易受化学侵蚀,甚至连氧都要在高温下才可与其反应。碳在无机化合物中最常见的氧化态为+4,并在一氧化碳及过渡金属羰基配合物中呈+2态。无机碳主要来自石灰石、白云石和二氧化碳,但也大量出现在煤、泥炭、石油和甲烷水合物等有机矿藏中。碳是所有元素中化合物种类最多的,目前有近一千万种已记录的纯有机化合物,但这只是理论上可以存在的化合物中的冰山一角。

碳的丰度在地球地壳中排列第15(见地球的地壳元素丰度列表),并在全宇宙中排列第4(见化学元素丰度),名列氢、氦和氧之下。由于碳元素极为充沛,再加上它在地球环境下所能产生的聚合物种类极为繁多,因此碳是地球上所有生物的化学根本。

特性

资料专题:碳特性

化合物

有机化合物

碳能够形成串连的C−C{\displaystyle{\ce{C-C}}}键,形成很长的分子链,这种特性叫做成链。碳-碳键强而稳定。因此,碳可以形成几乎无限种不同的化合物。其实,碳化合物的数量比其他所有元素的化合物加起来还要多(除氢以外,因为大部分碳化合物都含有氢)。

最简单的有机分子是碳氢化合物。这些化合物以一条碳链为主干,并有氢原子键合在碳链上。链长、支链及官能团等都会影响有机化合物的物理及化学特性。

所有生物体中都含有碳,并以碳作为有机化学的基础。碳氢化合物在工业上可用作制冷剂、润滑剂、溶剂、塑料的制造原料、化石燃料等等。

碳与氧和氢结合后,会形成众多必不可少的生物化合物,包括糖、木酯素、甲壳素、醇、脂、、类胡萝卜素、萜烯等等。碳与氮结合会形成生物碱,再加上后会形成抗生素、氨基酸及橡胶等等。最后加入磷,会形成生命所需的化学编码分子DNA及RNA,以及生物细胞用以传递能量的三磷酸腺苷(ATP)。

无机化合物

资料专题:碳化合物无机化合物

金属有机化合物

金属有机化合物是任何具有碳-金属键的化合物。金属有机化合物类别繁多,主要分为烷基金属化合物(如四乙基铅)、η烯烃化合物(如蔡斯盐)和η烯丙基化合物(如氯化烯丙基钯二聚物);含环戊二烯配位体的茂金属(如二茂铁);以及过渡金属卡宾配合物。金属羰基配合物有很多种,包括四羰基镍等。

历史

资料专题:碳历史

生产

石墨

大量天然石墨矿藏分布在世界各地,其中主要出产国为中国、印度、巴西和朝鲜。石墨矿石都是变质岩,与石英、片岩中的云母和长石、片麻岩及变质砂岩和石灰岩一同出现,呈透镜状或叶脉状,厚度可达1米多。位于英国坎伯兰博罗戴尔(Borrowdale)的石墨矿藏巨大且纯度高,直到19世纪,人们都直接锯下石墨块,削成条状后包在木条中,作铅笔出售。今天,要从较小的石墨矿中提取石墨,需要把矿石压碎后,用水浮出较轻的石墨。

天然石墨以三种形式出现:无定形态、薄片状或结晶薄片状以及叶脉状或块状。无定形石墨的质量最低,但也最常见,一般被用于生产价值最低的产品。在工业中“无定形”指的是晶体细小,而非科学中所指的完全缺乏晶体结构。无定形石墨大量出现在位于中国、欧洲、墨西哥以及美国的大型矿藏中。薄片状石墨的价值更高,也较少见,通常出现在变质岩中。质量较高的薄片石墨价格可以是无定形石墨的4倍,可制成膨胀性石墨,用作阻燃剂等。薄片石墨出产于巴西、加拿大、中国、德国和马达加斯加。叶脉状或块状石墨最为罕见,是天然石墨中质量与价格最高的一种。这种石墨整块出现在岩石之间,目前只有斯里兰卡出产。

根据美国地质调查局的数据,2010年全球石墨产量为1100万吨,其中中国占了80万吨,印度13万吨,巴西7.6万吨,朝鲜3万吨,加拿大2.5万吨。美国没有开采自然石墨,但2009年共生产了11.8万吨合成石墨,估计总值9.98亿美元。

钻石

全球的钻石生产由少数大型企业控制,而钻石矿藏也只分布在地球的少数地区。

钻石矿石中只有极小部分是钻石。在最初压碎矿石时须避免损伤大块钻石,压碎后再以密度分开各种粒子。今天,人们利用X射线荧光光谱仪能够预先找到钻石含量较高的部分,接着的分类过程则由人工进行。在X光科技普及之前,人们用涂上油脂的运输带提取钻石。钻石比矿石中其他的矿物更容易粘在油脂上。

历史上只有南印度出产钻石。自公元前9世纪左右至公元18世纪中叶,印度都是世界唯一的钻石产国。18世纪末,印度的矿藏已经衰减了许多,因此巴西1725年发现钻石后,成为了印度以外的首个钻石产地。

1870年代人们发现了南非的钻石矿场,才开始了对主要矿藏(金伯利岩及钾镁煌斑岩)的开采。产量不断提高,截至2007年一共已有45亿卡拉钻石从当地开采出来。钻石在美国主要分布在阿肯色州、科罗拉多州和蒙大拿州。

今天经济效益最高的钻石产国有俄罗斯、博茨瓦纳、澳洲及刚果共和国。俄罗斯的钻石产量为全球的五分之一。澳洲拥有钻石含量最高的矿藏,其年产量在1990年代达到4200万吨的顶峰。其他的商业钻石矿场位于加拿大加拿大、俄罗斯西伯利亚(大部分在雅库特地区)、巴西以及澳洲北部和西部。

根据贝恩公司的报告,全球2018年钻石产量为1.47亿克拉,预计2019年产量为1.42亿克拉。

应用

资料专题:碳应用

安全

纯碳对人类的毒性很低,甚至可以以石墨或木炭的形式直接安全进食。碳可以抵抗化学侵蚀,包括消化道中的。因此当进入人体组织后,碳会长时间存留。炭黑有可能是第一种被用作纹身的颜料。冰人奥茨的身上有碳刺青,一直保留到他死后5200年后的今天。然而,大量吸入煤灰或煤烟却会刺激肺部,并造成煤工尘肺等阻塞性肺病。作磨料用的钻石粉末在进食或吸入后同样会造成危险。柴油引擎排烟中含有碳微粒,这些微粒会在肺部积聚。如果进入身体的含碳物质还有其他的杂质,如有机化合物和重金属等,就有可能会对身体造成额外的伤害。

碳对大部分地球生物来说毒性都很低,但对某些生物却有毒。比如,碳纳米微尘对果蝇属是有毒的。

碳在高温下能在空气中剧烈燃烧,如温斯乔火灾就是因加热的石墨造成的。大量煤炭在无氧状态下经过数亿年后,首次被挖出时,可能会在接触到空气后自燃。

碳的众多化合物中,有着多种剧毒,如河豚毒素、蓖麻毒蛋白、氰化物(CN−{\displaystyle{\ce{CN-}}})和一氧化碳

碳与各元素键合

资料专题:碳碳与各元素键合

参见

  • 碳沙文主义
  • 碳足印
  • 低碳经济

参考文献

资料专题:碳参考文献

外部链接