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【百科】碳

发布日期:2018-09-29 14:33 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

6 硼 碳 氮 - C Si 元素周期表 一般 名称 , 符号 , 数字 碳,C,6 化学系列 非金属 集团 , 期间 ,块 14,2 ,p 出现 黑色(石墨) 无色(钻石) 原子质量 12.0107(8)g / mol 电子配置 1s 2

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C
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Si
C-TableImage.png
元素周期表
一般
名称符号数字 碳,C,6
化学系列 非金属
集团期间,块 14,2,p
出现 黑色(石墨)
无色(钻石)
C,6.JPG
原子质量 12.0107(8)g / mol
电子配置 1s 2 2s 2 2p 2
每壳电子 2,4
物理特性
固体
密度rt附近 (石墨)2.267克/厘米3
密度rt附近 (菱形)3.513克/立方厘米
熔点  ?三重点,约 10 MPa 
和(4300-4700)K
(?° C,?° F
沸点 subl。约 4000 K
(?° C,?° F
熔化热 (石墨)?100 kJ / mol
熔化热 (钻石)?120 kJ / mol
蒸发热  ?355.8 kJ / mol
热容量 (25°C)(石墨)
8.517 J /(mol·K)
热容量 (25°C)(钻石)
6.115 J /(mol·K)
蒸气压(石墨)
P / Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T / K.   2839 3048 3289 3572 3908
原子特性
水晶结构 六角形
氧化状态 4,2 
(轻度酸性氧化物)
电负性 2.55(鲍林规模
电离能量
(更多)
1:1086.5千焦/摩尔
第2次:2352.6千焦/摩尔
第3次:4620.5kJ / mol
原子半径 晚上70点
原子半径(计算值) 下午67点
共价半径 晚上77点
范德瓦尔斯半径 下午170点
磁性排序 抗磁性
导热系数 (300 K)(石墨)
(119-165)W /(m·K)
导热系数 (300 K)(钻石)
(900-2320)W /(m·K)
热扩散系数 (300 K)(菱形)
(503-1300)mm²/ s
莫氏硬度 (石墨)0.5
莫氏硬度 (钻石)10.0
CAS注册号 7440-44-0
着名的同位素
主要文章:的同位素
NA 半衰期 DM DE (MeV) DP
12 C 98.9% C对6个中子稳定
13 C. 1.1% C对7个中子稳定
14 C 跟踪 5730 ÿ 测试版- 0.156 14 N.

(化学符号C ;原子序数6)是一种非凡的化学元素,在生物和非生物世界的结构和过程中起着至关重要的作用。没有它,我们的物质存在和其他有机体的存在是不可能的。它的不同形式包括石墨,一种最软的物质,以及金刚石,这是最硬的天然材料。众所周知,是各种化合物的一部分,包括在太阳恒星行星 大气中发生的一些化合物我们使用碳化合物作为燃料,并合成各种材料,如塑料油漆纺织品和药品。研究人员正在研究新形式碳的使用,称为富勒烯,导致纳米技术的发展领域。

内容

 [ 隐藏 ] 
  • 发生
  • 显着特征
    • 2.1 同位素
    • 2.2同素 异形体
  • 碳化合物
  • 应用
  • 注意事项
  • 碳循环
    • 6.1 非生物过程的碳交换
    • 6.2 涉及生物过程的碳交换
  • 另见
  • 参考文献
  • 外部链接
  • 10 学分

粗心地处理油漆,塑料和其他含碳材料污染了环境,滥用药物造成了不必要的痛苦和痛苦。这种做法表明对自然界的价值观和原则的理解不充分。虽然目前正在努力清理环境和打击药物滥用,但人类也需要恢复其价值观,以防止这些问题再次发生。

发生

碳是一种丰富的非金属,自史前时就已为人所知。早期的人们通过在氧气不足的情况下燃烧有机材料(例如木材)以木炭的形式生产它

碳的名称来自法语单词charbone,而后者又来自拉丁语carbo,意思是木炭在德国和荷兰,碳的名称分别Kohlenstoffkoolstof,两者的字面意思是“ 煤炭 ”。

纯碳可以以称为同素异形体的各种形式存在,例如石墨和金刚石。此外,碳可以与其自身和各种其他元素结合形成化合物。

在地球上,碳及其化合物广泛分散在空气,水和土地中。它们也存在于太阳恒星中,人们认为碳原子首先是由核反应形成的 - 特别是三颗α粒子(原子核)在恒星内部的碰撞此外,碳以发现彗星,并且在大多数的大气压的行星太阳系一些陨石含有可能在太阳系处于形成阶段时产生的微观钻石。

美国,在纽约德克萨斯州大量发现石墨它在俄罗斯墨西哥格陵兰印度也很丰富

天然钻石出现在古代火山管道中的矿物金伯利岩大多数钻石矿床位于非洲,特别是南非纳米比亚博茨瓦纳刚果共和国塞拉利昂其他矿床已在阿肯色州加拿大,俄罗斯北极巴西以及北澳大利亚和西澳大利亚州发现

分类为富勒烯的其他同素异形体碳在20世纪80年代被发现作为分子束实验的副产物。

显着特征

对于碳的化学符号是Ç,其原子序数(质子的每个原子的原子核数)为6的各个碳原子是能够形成强的化学键,称为共价键与多达四个原子。因此据说碳是四价的。

碳具有所有元素的最高熔点/升华点。如果在大气压下加热,碳不会熔化,而是在4000K以上升华(固体形式蒸发)。因此,碳在高温下仍然比熔点最高的金属(包括铼)保持固态

具有特别高表面积的被称为活性炭活性炭。它是通过在高温下用某些酸或气体处理木炭(或其他富含碳的材料)而生产的。它可以吸附(在其表面吸收)各种材料,因此可用于去除水和空气中的污染物。

同位素

碳具有两种稳定的天然存在的同位素:碳-12(12 C)和碳-13(13 C),相对丰度分别为约98.9%和1.1%。1961年,国际纯粹与应用化学联合会采用同位素碳-12作为原子量的基础。

一个天然存在的放射性同位素,碳-14(14 C),具有半衰期的大约5730年。其他十二种放射性同位素是人工生产的。其中,最短寿命为8 ℃,半衰期约为1.987×10 -21秒。

同素异形体

金刚石晶体的晶胞。每个碳原子(球体)与另外四个碳原子键合。
碳的基本相图,显示了不同温度和压力下的物质状态。阴影区域表示一相是亚稳态的条件,因此两相可以共存。

碳可以以称为同素异形体的不同结构状态存在两种着名的同素异形体是石墨,一种最软的物质,和钻石,最硬的天然矿物质

石墨具有晶体结构,其中碳原子排列成平板层。每个片由六边形(六元)环的网络组成,其中每个碳原子与三个其他原子键合。虽然每张纸都非常稳定,但它与相邻的纸张松散地相互作用,因此它们可以很容易地相互滑过。

金刚石在地球上以非常高的压力形成,采用不同的晶体结构。每个碳原子与另外四个碳原子键合,它们一起形成围绕中心碳的四面体形状。整体结构是褶皱的六元碳原子环的三维网络。以这种方式,无论大小如何,每个金刚石晶体都可以被认为是单个碳原子分子。在室温下,金刚石晶体经历极慢的石墨过渡。

金刚石和石墨具有某些截然相反的特征。钻石透明而坚硬; 它可作为优良的电绝缘体,可用作磨料。相比之下,石墨是不透明和柔软的。它导电,是一种很好的润滑剂。金刚石在立方体系中结晶,但石墨在六方晶系中结晶。

缺乏整体晶体结构的碳被称为无定形碳。尽管可以生产完全无定形(非结晶)的碳,但被描述为无定形的材料通常包括石墨或金刚石的小晶体。无定形碳是木炭,烟灰(碳黑或炭黑)和活性炭的主要成分。

此外,已经合成或发现了几种外来的同素异形体,包括富勒烯碳纳米管,lonsdaleite,碳纳米泡沫和聚集的金刚石纳米棒。这些同素异形体中的碳原子具有不同的结构排列。

富勒烯C 540五元和六元碳原子环的晶格,形成整体球形。

富勒烯由以六角形和五角形环连接在一起的碳原子片组成,以获得空心或椭球的整体形式球形富勒烯也称为巴基球。最着名的巴克球是Buckminsterfullerene(每个球体含有60个碳原子),以开发球形圆顶的建筑师Richard Buckminster Fuller的名字命名

碳纳米管同样由以六边形和五边形环连接的碳原子片组成,但整体形状是空心圆柱体。有时被称为buckytube,它被归类为富勒烯碳化合物家族的一部分。

流星石墨落到地球时,人们认为形成了Lonsdaleite 的影响的热和压力变换成石墨类似于金刚石的结构,但石墨的六方晶体晶格将被保留。也称为六角形钻石,lonsdaleite是透明的并且呈棕黄色。

1997年澳大利亚科学家意外地生产了碳纳米泡沫*。它由低密度的碳原子团簇组成,这些碳原子团以六元和七元环键合。令人惊讶的是,该材料被磁铁吸引并且可以在低于-183℃的温度下被磁化。

聚集的金刚石纳米棒(ADNR)比金刚石更致密和更硬,并且它们似乎是人类已知的最不可压缩的材料。它们于2005年由德国的物理学家生产,他们在20 GPa的压力下压缩碳-60分子,同时将材料加热到2500 K.

碳化合物

每个碳原子可以与其他碳原子和各种其他元素形成共价键- 最常见的是与氢,氧,氮和氯。通过这样做,碳形成稳定的化合物,其由直链和支链以及环状分子组成。

科学家们已经知道了将近1000万种碳化合物,并且会定期合成新化合物。碳化合物构成所有已知化合物的绝大多数。大多数碳化合物被归类为有机化合物,它们构成了有机化学领域的基础

当仅与结合时,碳形成各种,包括甲烷丙烷丁烷天然碳氢化合物来源是石油天然气

单独结合时,碳形成二氧化碳(CO 2),一氧化碳(CO)和不常见的低碳氧化物C 3 O 2地球大气中的二氧化碳对于植物进行光合作用至关重要,而且作为温室气体,它有助于保持太阳的热量,并保持我们的星球足够温暖以维持生命。一氧化碳是由不完全燃烧形成的无色,无味,剧毒的气体。

当与氧和氢连接时,碳形成各种类型的化合物,包括分类为羧酸的化合物

成千上万的碳化合物 - 包括碳水化合物脂肪蛋白质核酸 - 在生命系统中产生和使用。其他化合物 - 特别是等金属的碳酸盐- 是岩石的主要成分,包括石灰石白云石大理石

在特殊情况下,碳以阴离子的形式存在。对于诸如钨的活性金属,碳形成碳化物(C -)或乙炔化物(C 2-)以形成具有非常高熔点的材料。另一方面,一些碳化物,例如碳化硅(SiC),是通过共价键结合在一起的晶格

应用

精美切割的钻石随时可用于珠宝。

碳及其化合物在天然和人工系统中都发挥着重要作用。所有已知生物的结构和功能都依赖于碳化合物。下面列出了碳及其化合物的一些人类用途。

  • 钻石,稀有而有吸引力,长期以来一直用于珠宝。鉴于它们的极高硬度,它们也可用于钻头和其他工业应用。
  • 石墨与粘土结合形成铅笔中使用的“铅”。
  • 在被称为木炭的多孔结块形式中,碳用于烹饪和艺术品。
  • 将碳添加到铁中以制造
  • 碳被用作核反应堆中的中子慢化剂
  • 活性炭用于从自然界和工业过程中去除空气和水流中的污染物。它还用于医学中以吸收消化系统中的毒素或毒素。
  • 同位素碳-14广泛用于含碳材料的放射性测年。
  • 富勒烯碳纳米管在纳米技术的新生领域具有许多潜在用途。然而,纳米颗粒可能是有毒的。
  • 主要由碳氢化合物组成的天然气石油(或原油)是重要的燃料来源。
  • 来自石油的各种材料用于合成诸如塑料的新物质

注意事项

碳及其化合物通常是安全的材料,但也有一些例外。例如,大量吸入细烟灰可能是危险的。此外,碳可能在非常高的温度下着火并剧烈燃烧。一些碳化合物,如一氧化碳和氰化物(CN -),是致命的有毒物质。

碳循环

碳循环图。黑色数字表示在各种水库中储存了多少碳,数十亿吨(“GtC”代表GigaTons of Carbon)。蓝色数字表示每年水库之间的碳移动量。

碳在环境中所遵循的路径统称为碳循环。它通常被认为是涉及四个储层的碳交换过程:地球大气层,陆地生物圈(包括淡水系统),海洋沉积物(包括化石燃料)。储层之间的碳交换是各种化学,物理,地质和生物过程的结果。

全球碳预算是的碳库间或碳循环的一个特定环内的碳交易(收入和损失)的平衡。储层的碳预算可以提供关于储层是否充当二氧化碳源或汇的信息。

 

通过非生物过程进行碳交换

几个非生物过程涉及储层之间的碳交换。其中一些过程如下。

  • 石灰石和大理石的沉积物主要由碳酸钙组成。由于这些岩石被水(特别是酸性水)侵蚀,碳酸钙被分解形成二氧化碳和碳酸等
  • 当石灰石被加热以产生水泥和石灰(氧化钙)时,产生大量的二氧化碳。
  • 在靠近两极的海洋表面,水变冷,从空气中溶解二氧化碳。
  • 在海洋表面,在水变暖的区域,溶解的二氧化碳被释放回大气中。
  • 火山爆发将各种气体释放到大气中,包括水蒸气,二氧化碳和二氧化硫
  • 燃烧化石燃料 - 如石油产品和天然气 - 将二氧化碳和碳颗粒释放到空气中。

 

涉及生物过程的碳交换

生物有机体在碳循环中起着重要作用,如下所述。

  • 某些生物,称为自养生物,在外部能源存在下使用来自空气或水的二氧化碳生成有机化合物大多数情况下,能量来源是太阳辐射,这个过程称为光合作用 ; 但是少数自养生物利用化学能源,这个过程叫做化学合成。碳循环中涉及的主要自养生物是陆地上的树木海洋中的浮游植物
  • 许多生物,称为异养生物,以其他生物或其部分(如水果)为食。异养生物的实例是以植物和其他动物为食的动物。其他异养生物是真菌和细菌,它们吸收死有机物质(碎屑)用于发酵或腐烂过程。
  • 大多数碳通过呼吸离开陆地生物圈。在有氧气的情况下,有氧呼吸会释放出二氧化碳; 在没有氧气的情况下,无氧呼吸会释放出甲烷。这些气体最终进入空气或水中。
  • 当死有机物质(如泥炭)结合在地圈中时,碳也可能离开陆地生物圈特别是,动物壳(由碳酸钙制成)最终可能通过沉降过程变成石灰石

也可以看看

  • 有机化学
  • 石墨
  • 钻石
  • 富勒烯

参考

  • 张,雷蒙德。2006. 化学第9版。纽约,纽约:麦格劳 - 希尔科学/工程/数学。ISBN 0073221031
  • Cotton,F。Albert和Geoffrey Wilkinson。1980. 高级无机化学第4版。纽约,纽约:威利。国际标准书号0-471-02775-8
  • Greenwood,NN和A. Earnshaw。1998. 元素化学第2版??。英国牛津; 马萨诸塞州伯灵顿:Butterworth-Heinemann,Elsevier Science。ISBN 0750633654提供在线版本在这里检索2007年8月11日。
  • Janzen,HH 2004.地球系统中的碳循环 - 土壤科学观点。农业,生态系统和环境 104:399-417。
(责任编辑:活性炭网)
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