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Carbonium

拉丁语

Carbonium是拉丁语，意为“煤，木炭”。

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。
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
金刚石
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，其馀的均带放射性，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在所有碳的含量佔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：一氧化碳、二氧化碳
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
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。
理化特性
总体特性
名称, 符号, 序号 碳、C、6
系列 非金属
族, 周期, 元素分区 14族(IVA), 2, p
密度、硬度 2267 kg/m3、
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） 4，2（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 3773 K（3500 °C）
沸点 5100 K（4827 °C）
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
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