以碳原子为例,说明原子的构成

以碳原子为例,说明原子的构成
以碳原子为例,说明原子的构成

以碳原子为例,说明原子的构成
碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族.它的化学符号是C,它的原子序数是6,电子构型为[He]2s22p2.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.
原子体积:(立方厘米/摩尔)
4.58
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
地壳中含量：（ppm）
480
拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”.汉字“碳”字由木炭的“炭”字加表固体非金属元素的石字旁构成,从 炭字音.
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：
石墨
莫氏硬度：石墨1-2 金刚石 10
金刚石
氧化态：
Main C-4, C+2, C+4
Other
化学键能： (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
热导率: W/(m·K)
(graphite) 119-165
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
富勒烯（Fullerenes,也被称为巴基球）
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）
六方金刚石（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）
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.
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sp 2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.
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)2、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由美国科学家马丁·卡门和塞缪尔·鲁宾于1940年发现.
单质的精炼
金刚石
金刚石即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
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.
碳是生铁、熟铁和钢的成分之一,在生铁中的质量分数为2%~4.3%,在钢中的质量分数为0.03%~2%.
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.
理化特性
总体特性
元素名称：碳
元素符号：C
元素类型：非金属
元素原子量：12．01
质子数：6
中子数：7
原子序数：6
所属周期：2
所属族数：IVA
电子层分布：2－4
密度、硬度 密度为3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨)（20 ℃)、
0.5 (石墨)
10.0 (钻石)
颜色和外表 黑色（石墨）
无色（钻石）
地壳含量 无数据
原子属性
原子量 12.0107 原子量单位
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 [氦]2s22p2
电子在每能级的排布 2,4
氧化价（氧化物） 4,3,2（弱酸性）
晶体结构 六方（石墨）
立方（钻石）
物理属性
物质状态 固态（反磁性）
熔点 熔点约为3 550 ℃（金刚石）
沸点 沸点约为4 827 ℃（升华）
摩尔体积 5.29×10-6m3/mol
汽化热 355.8 kJ/mol（升华）
熔化热 无数据（升华）
蒸气压 0 帕
声速 18350 m/s
其他性质
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
最稳定的同位素
同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量
MeV 衰变产物
12C 98.9 % 稳定
13C 1.1 % 稳定
14C 微量 5730年 β衰变 0.156 14N
在没有特别注明的情况下使用的是
国际标准基准单位单位和标准气温和气压
碳,原子序数6,原子量12.011.元素名来源拉丁文,愿意是“炭”.碳是自然界中分布很广的元素之一,在地壳中的含量约0.27%.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比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂；不同高温下与氧反应,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.