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碳元素
2010-08-20 11:53:09 来源:不详 浏览:4094

碳,carbon,源自carbo,也就是木炭,这种物质发现得很早,上图显示出它的三种自然形式:钻石、炭和石黑。碳的无数化合物是我们日常生活中不可缺少的物质,产品从尼龙和汽油、香水和塑料,一直到鞋油、滴滴涕和炸药等,范围广泛种类繁多。

碳的发现简史

碳可以说是人类接触到的最早的元素之一,也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后,就和碳有了接触,由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭,动物被烧死以后,便会剩下骨碳,人类在学会了怎样引火以后,碳就成为人类永久的“伙伴”了,所以碳是古代就已经知道的元素。发现碳的精确日期是不可能查清楚的,但从拉瓦锡(lavoisier a l 1743—1794法国)1789年编制的《元素表》中可以看出,碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用,根据这种理论,碳不是一种元素而是一种纯粹的燃素,由于研究煤和其它化学物质的燃烧,拉瓦锡首先指出碳是一种元素。

碳在自然界中存在有三种同素异形体──金刚石、石墨、c60。金刚石和石墨早已被人们所知,拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后,确定这两种物质燃烧都产生了co2,因而得出结论,即金刚石和石墨中含有相同的“基础”,称为碳。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。c60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家哈里可劳特等人发现的,它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子,是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。

碳元素的拉丁文名称carbonium来自carbon一词,就是“煤”的意思,它首次出现在1787年由拉瓦锡等人编著的《化学命名法》一书中。碳的英文名称是corbon。

碳单质

碳在地壳中的质量分数为0.027%,在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。

截止1998年底,在全球最大的化学文摘——美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种,其中绝大多数是碳的化合物。

众所周知,生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长,演变成为蛋白质和核酸;然后演化出原始的单细胞,又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩、直至人类。这三四十亿年的生命交响乐,它的主旋律是碳的化学演变。可以说,没有碳,就没有生命。碳,是生命世界的栋梁之材。

纯净的、单质状态的碳有三种,它们是金刚石、石墨、c60。它们是碳的三种同素异形体。

金刚石

石墨

碳六十

金刚石

金刚石晶莹美丽,光彩夺目,是自然界最硬的矿石。在所有物质中,它的硬度最大。测定物质硬度的刻画法规定,以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如cr的硬度为9、fe为4.5、pb为1.5、钠为0.4等。在所有单质中,它的熔点最高,达3823k。

金刚石晶体属立方晶系,是典型的原子晶体,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键,构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。

由于金刚石晶体中c─c键很强,所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有自由电子,所以金刚石不仅硬度大,熔点高,而且不导电。

室温下,金刚石对所有的化学试剂都显惰性,但在空气中加热到1100k左右时能燃烧成co2。

金刚石俗称钻石,除用作装饰品外,主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具,是重要的现代工业原料,价格十分昂贵。

石墨

石墨乌黑柔软,是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小,熔点比金刚石仅低50k,为3773k。

在石墨晶体中,碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键,构成六角平面的网状结构,这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道,其中有一个未成对的p电子,同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大∏键(键)。这些离域电子可以在整个儿碳原子平面层中活动,所以石墨

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