标题：碳
简介
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。  碳循环它的化学符号是C，它的原子序数是6，电子构型为[He]2s2 2p2。
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。
碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。
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。碳的单质已知以多种同素异形体的形式存在：
1.石墨
2.金刚石
3.富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球）
4.碳纳米管（Carbon nanotube）
5.六方晶系金刚石（Lonsdaleite，与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列）
6.蜡石（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）
7.碳纤维（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维）
8.碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）
9.碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）
10.石墨烯（亦称碳膜片）
11.巴基葱（即巴基球套巴基球。注：巴基球不止碳60）
最常见的两种单质是高硬度的金刚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。
碳元素简介
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。
碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石、石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如大理石等。 单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同，各有各的外观、密度、熔点等。
常温下单质碳的化学性质不活泼，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂；不同高温下与氧发生的反应不同，可以生成二氧化碳或一氧化碳；在卤素中只有氟能与单质碳直接反应；在加热下，单质碳较易被酸氧化；在高温下，碳还能与许多金属反应，生成金属碳化物。碳具有还原性，在高温下可以冶炼金属。元素资料元素原子量：12.0107
质子数：6 
原子序数：6 
原子核亏损质量：0.0883u
周期：2 
电子层：K-L
电子数：2-8
外围电子层排布：2s22p2
族：IVA 　电子层分布：2－4 
原子体积：4.58立方厘米/摩尔
原子半径（计算值）：70（67）pm 
共价半径：77 pm 
范德华半径：170 pm 
电子构型 ：1s22s22p2 
电子在每能级的排布：2，4 
氧化价（氧化物）：4，3，2（弱酸性） 
颜色和外表：黑色（石墨）， 无色（金刚石） 木炭，活性炭，炭黑
物质状态：固态
物理属性：反磁性
熔点：约为3727 ℃（金刚石3550 ℃） 
沸点：约为4827 ℃（升华） 
摩尔体积 ：5.29×10-6m3/mol 
元素在太阳中的含量：(ppm) 3000
元素在海水中的含量：(ppm) 太平洋表面 23
元素在地壳中含量：（ppm）4800
莫氏硬度：石墨1-2 ，金刚石 10 
氧化态： 主要为-4，，C+2， C+4 （还有其他氧化态）
  元素性质数据化学键能： (kJ /mol)
化学键
键能(kJ/mol)
C-H
411
C-C
348
C=C
614
C≡C
839
C=N
615
C≡N
891
C=O
745
C≡O
1074
晶胞参数：
a = 246.4 pm b = 246.4 pm c = 671.1 pm α = 90° β = 90° γ = 120° 
电离能：(kJ/ mol) 
M - M+ 1086.2 M+ - M2+ 2352 M2+ - M3+ 4620 M3+ - M4+ 6222 M4+ - M5+ 37827 M5+ 
- M6+ 47270 
单质密度：3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨，20 ℃)
电负性：2.55（鲍林标度） 
比热：710 J/(kg·K) 
电导率：0.061×10-6/(米欧姆) 
热导率：129 W/(m·K) 第一电离能1086.5 kJ/mol 第二电离能 2352.6 kJ/mol 第三电离能 4620.5 kJ/mol 第四
电离能 6222.7 kJ/mol 第五电离能 37831 kJ/mol 第六电离能 47277.0 kJ/mol
同位素
目前已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，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5568年，其他的为稳定同位素。 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。
符号
质子
中子
质量(u)
半衰期
原子核自旋
相对丰度
相对丰度的变化量
8C
6
2
8.037675(25)
2.0(4) x 10-21s [230(50) keV]
0+
​​9C
6
3
9.0310367(23)
126.5(9) ms
(3/2-)
​​10C
6
4
10.0168532(4)
19.290(12) s
0+
​​11C
6
5
11.0114336(10)
20.334(24) min
3/2-
​​12C
6
6
12 by definition
稳定
0+
0.9893(8)
0.98853-0.99037
13C
6
7
13.0033548378(10)
稳定
1/2-
0.0107(8)
0.00963-0.01147
14C
6
8
14.003241989(4)
5.70(3) x 1000 years
0+
​​15C
6
9
15.0105993(9)
2.449(5) s
1/2+
​​16C
6
10
16.014701(4)
0.747(8) s
0+
​​17C
6
11
17.022586(19)
193(5) ms
(3/2+)
​​18C
6
12
18.02676(3)
92(2) ms
0+
​​19C
6
13
19.03481(11)
46.2(23) ms
(1/2+)
​​20C
6
14
20.04032(26)
16(3) ms [14(+6-5) ms]
0+
​​21C
6
15
21.04934(54)#
<30 ns
(1/2+)#
​​22C
6
16
22.05720(97)#
6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]
0+
​​备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。
单质碳的形式
金刚石/钻石(diamond)  金刚石结构图
  金刚石最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，成空间网状结构，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。
金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。
主要作用：装饰品、切割金属材料等石墨（graphite）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，具有优良的导电性能。石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，层与层之间键合比较脆弱，因此层与层之间容易被滑动而分开。
主要作用：制作铅笔，电极，电车缆线等  安瓿中的石墨富勒烯（fullerene，C60、C72等）
  C601985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。
富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。其他碳结构无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨） 
碳纳米管（Carbon nanotube）
蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，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）  蓝丝黛尔石蜡石（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）  单层石墨和碳纳米管碳纤维（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维）
碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）
碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的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。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，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度的单层就是石墨烯。
碳的同素异形体
包含种类*石墨 　*钻石（金刚石） 　*富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球或足球烯） 　*无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨） 　*碳纳米管（Carbon nanotube） 　*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（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维） 　*碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶） 　*碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，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。　碳同素异形体系统横跨完全极端且十分不同的范围。
碳元素的
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、硫化物：一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、二硫化碳(CS₂)、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(CN)、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%(不同分析方式，计算含量有差异)，地壳中含量最高的元素依次为：O46.6%，Si27.7%，Al8.1%。
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。
碳的成键
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。
碳燃烧方程式
碳在氧气中燃烧剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体碳在空气中燃烧放热，持续红热，产生无色无味能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体CO₂；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳碳与高锰酸钾共热碳在密封空间与高锰酸钾共热，高锰酸钾会分解出氧气，碳会迅速氧化，会发生爆炸。燃烧热方程式C(s)+O₂(g)=CO₂(g) △H=－393.5kJ/mol燃烧热值393.5kJ/mol
碳的用途
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。
由於石墨的分子间只有微弱的范德华引力，所以它们容易滑动，适合用来作润滑剂，而石墨处於高温时不容易挥发，所以适合在掘隧道时使用。
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。
它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。
碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。
安全术语
S22Do not breathe dust.
切勿吸入粉尘。
S24/25Avoid contact with skin and eyes.
避免与皮肤和眼睛接触。
风险术语 R36/37Irritating to eyes and respiratory system. 
刺激眼睛和呼吸系统。