Confusion grey.svg
提示:本条目的主题不是
碳   6C
氢(其他非金属)
氦(惰性气体)
锂(碱金属)
铍(碱土金属)
硼(类金属)
碳(其他非金属)
氮(其他非金属)
氧(其他非金属)
氟(卤素)
氖(惰性气体)
钠(碱金属)
镁(碱土金属)
铝(贫金属)
硅(类金属)
磷(其他非金属)
硫(其他非金属)
氯(卤素)
氩(惰性气体)
钾(碱金属)
钙(碱土金属)
钪(过渡金属)
钛(过渡金属)
钒(过渡金属)
铬(过渡金属)
锰(过渡金属)
铁(过渡金属)
钴(过渡金属)
镍(过渡金属)
铜(过渡金属)
锌(过渡金属)
镓(贫金属)
锗(类金属)
砷(类金属)
硒(其他非金属)
溴(卤素)
氪(惰性气体)
铷(碱金属)
锶(碱土金属)
钇(过渡金属)
锆(过渡金属)
铌(过渡金属)
钼(过渡金属)
锝(过渡金属)
钌(过渡金属)
铑(过渡金属)
钯(过渡金属)
银(过渡金属)
镉(过渡金属)
铟(贫金属)
锡(贫金属)
锑(类金属)
碲(类金属)
碘(卤素)
氙(惰性气体)
铯(碱金属)
钡(碱土金属)
镧(镧系元素)
铈(镧系元素)
镨(镧系元素)
钕(镧系元素)
钷(镧系元素)
钐(镧系元素)
铕(镧系元素)
钆(镧系元素)
铽(镧系元素)
镝(镧系元素)
鈥(镧系元素)
铒(镧系元素)
铥(镧系元素)
镱(镧系元素)
镥(镧系元素)
铪(过渡金属)
钽(过渡金属)
钨(过渡金属)
铼(过渡金属)
锇(过渡金属)
铱(过渡金属)
铂(过渡金属)
金(过渡金属)
汞(过渡金属)
铊(贫金属)
铅(贫金属)
铋(贫金属)
钋(贫金属)
砹(类金属)
氡(惰性气体)
钫(碱金属)
镭(碱土金属)
锕(锕系元素)
钍(锕系元素)
镤(锕系元素)
鈾(锕系元素)
镎(锕系元素)
钚(锕系元素)
镅(锕系元素)
锔(锕系元素)
锫(锕系元素)
锎(锕系元素)
锿(锕系元素)
镄(锕系元素)
钔(锕系元素)
铹(锕系元素)
锘(锕系元素)
鑪(过渡金属)
𨧀(过渡金属)
𨭎(过渡金属)
𨨏(过渡金属)
𨭆(过渡金属)
䥑(未知特性)
鐽(未知特性)
錀(未知特性)
鎶(过渡金属)
鉨(未知特性)
鈇(贫金属)
镆(未知特性)
鉝(未知特性)
Ts(未知特性)
Og(未知特性)
-



外觀
透明(鑽石)或黑色(石墨)


碳的光譜線
概況
名稱·符號·序數碳(Carbon)·C·6
元素類別非金屬
·週期·14·2·p
標準原子質量12.011(1)
電子排布

[He] 2s2 2p2
2, 4

碳的电子層(2, 4)
歷史
發現古埃及人和蘇美[1](公元前3750年)
確認為化學元素安東萬·拉瓦節[2](1789年)
物理性質
物態固體
密度(接近室温
無定形:[3]1.8–2.1 g·cm−3
密度(接近室温)
鑽石:3.515 g·cm−3
密度(接近室温)
石墨:2.267 g·cm−3
昇華點3915 K,3642 °C,6588 °F
三相點4600 K(4327 °C),10800[4][5] kPa
熔化熱117(石墨) kJ·mol−1
比熱容6.155(鑽石)
8.517(石墨) J·mol−1·K−1
蒸汽壓
原子性質
氧化態4, 3[6], 2, 1[7], 0, −1, −2, −3, −4[8]
電負性2.55(鲍林标度)
電離能

第一:1086.5 kJ·mol−1
第二:2352.6 kJ·mol−1
第三:4620.5 kJ·mol−1

更多
共價半徑77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
范德華半徑170 pm
雜項
晶體結構

钻石


(鑽石,透明)

六方

碳具有六方晶体结构

(石墨,黑色)
磁序反磁性[9]
熱導率900-2300(鑽石)
119-165(石墨) W·m−1·K−1
膨脹係數(25 °C)0.8(鑽石)[10] µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)18350(鑽石) m·s−1
楊氏模量1050(鑽石)[10] GPa
剪切模量478(鑽石)[10] GPa
體積模量442(鑽石)[10] GPa
泊松比0.1(鑽石)[10]
莫氏硬度10(鑽石)
1-2 (graphite)
CAS號7440-44-0
最穩定同位素

主条目:碳的同位素

同位素丰度半衰期 (t1/2)衰變
方式能量MeV產物
11C人造20分鐘β+0.96B
12C98.9%穩定,帶6個中子
13C1.1%穩定,帶7個中子
14C痕量5730β0.15 0N

Carbon,拉丁文意為煤炭)是一種化學元素,符號為C原子序数為6,位於元素週期表中的IV A族,屬於非金屬。每個碳原子有四顆能夠進行鍵合的電子,因此其化合價通常為4。自然產生的碳由三種同位素組成:12C13C為穩定同位素,而14C則具放射性,其半衰期約為5,730年。[11]碳是少數幾個自遠古就被發現的元素之一(見化學元素發現年表)。[12]

碳的同素異形體有數種,最常見的包括:石墨鑽石無定形碳[13]這些同素異形體之間的物理性質,包括外表、硬度電導率等等,都具有極大的差異。在正常條件下,鑽石、碳納米管石墨烯熱導率是已知材質中最高的。

所有碳的同素異形體在一般條件下都呈固态,其中石墨的熱力學穩定性最高。它們不易受化學侵蝕,甚至連都要在高溫下才可與其反應。碳在無機化合物中最常見的氧化態為+4,並在一氧化碳過渡金屬羰基配合物中呈+2態。無機碳主要來自石灰石白雲石二氧化碳,但也大量出現在泥炭石油甲烷水合物等有機礦藏中。碳是所有元素中化合物种类最多的,目前有近一千萬種已記錄的純有機化合物,但這只是理論上可以存在的化合物中的冰山一角。[14]

碳的豐度在地球地殼中排列第15(见地球的地殼元素豐度列表),並在全宇宙中排列第4(见化學元素豐度),名列之下。由於碳元素極為充沛,再加上它在地球環境下所能產生的聚合物種類極為繁多,因此碳是地球上所有生物的化學根本。[15]

特性

經理論推測的碳相圖

碳的各種同素異形體的物理特性差異極大,例如鑽石是最堅硬的天然物質,而石墨則是最柔軟的物質之一。碳可以和眾多較小原子(包括碳原子)產生多個共價鍵,因此碳化合物的總數是各個元素中最高的,已发现的有近一千萬種,佔所有已知化合物的絕大多數。[14]碳的昇華點是所有元素中最高的。在標準大氣壓下,碳沒有熔點,因為它的三相點位於10.8 ± 0.2 MPa、4,600 ± 300 K(約4,330 °C),[4][5]而是會在3,900 K左右昇華。[16][17]因此所有碳同素異形體的固體溫度上限比熔點最高的金屬還要高,如。雖然碳能夠進行氧化反應,但它的耐氧化性比等元素都強。

碳化合物是地球上所有生物的化學基礎。碳氮氧循環反應是太陽以及其他恒星內部部分能量的來源。雖然碳擁有上千萬種化合物,但碳在一般條件下的化學性質並不活躍。在標準溫度和壓力下,碳能夠抵抗幾乎所有的氧化劑,並只會與最強的氧化劑反應。無論是硫酸盐酸還是任何,都無法侵蝕碳。在高溫底下,碳會和反應形成碳氧化物(COCO2),也會把金屬氧化物還原為純金屬,例如将氧化鐵还原为游离态铁。這一放熱反應應用於鋼鐵工業中,用以控制鋼鐵的碳含量:

Fe3O4 + 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)

碳能和某些金屬在高溫下形成碳化物,如鋼鐵中的Fe3C及用作製造堅硬鑽頭 磨料的碳化鎢等。

截至2009年,石墨烯是所有已知物質中最堅固的。[18]然而從石墨中分離出石墨烯的過程需要更進一步的完善才能在工業中應用。[19]

碳的各種同素異形體有著兩極化的異常特性:

人造鑽石納米晶體是最堅硬的物質。[20] 石墨是最柔軟的物質之一。
鑽石是極佳的 磨料。 石墨是極佳的潤滑劑,甚至具超潤滑性。[21]
鑽石是高絕緣體[22] 石墨是高導電體[23]
鑽石是導熱率最高的物質之一。 石墨可用作 熱絕緣體。
鑽石透明。 石墨為不透明黑色。
鑽石晶體結構屬於立方晶系 石墨晶體結構屬於六方晶系[24]
無定形碳具各向同性 碳納米管是各向異性最強的物質之一。

同素異形體

單原子碳的存活時間極短,因此碳一般以多原子形態穩定存在,這些碳原子的不同排布方式稱為同素異形體。最常見的三種碳同素異形體為無定形碳石墨鑽石富勒烯曾經是新發現的奇異物質,但今天已大量生產,受到了科學家的深入研究。富勒烯共包括巴基球[25][26]碳納米管[27] 碳納米芽[28]及 碳納米纖維等。[29][30]其他同素異形體還有:藍絲黛爾石[31]玻璃碳[32]碳納米泡沫[33]直鏈乙炔碳等等。[34]

[(双层)石墨的旋转视图。
C60的旋转视图

碳的無定形體是碳原子以非晶體形式不規則排列時形成的玻璃態物質,也就是不具備宏觀晶體結構的石墨。無定形碳呈粉末狀,是煤炭煤煙炭黑)及活性炭的主要成份。在正常壓力下,碳以石墨的形式存在,其中每個碳原子都和另外三個碳原子鍵合,形成平面六邊形環平鋪結構。[35]這一種網狀平面結構能夠層疊起來,每層間有弱范德華力。因此石墨性質柔軟,也可作潤滑劑(因為層與層間能輕易平行滑動)。由於石墨中每個碳原子都有一顆外層離域電子,共同形成遍佈整個平面的π-雲,所以電能順著石墨的每個共價鍵合平面上傳導。因此碳的整體電導率低於大部分金屬。由於含有離域電子,因此在標準條件下石墨比鑽石更加穩定。

碳的一些同素異形體結構:鑽石(a)、石墨(b)、藍絲黛爾石富勒烯(C60(d)、C540(e)、C70(f))無定形碳(g)、碳納米管(h)

在極高壓力下,碳會形成原子排布更緊密的鑽石,其密度幾乎為石墨的兩倍。鑽石中的每個碳原子以四面體狀與另外四個碳原子鍵合,形成一個三維密鋪網狀結構。鑽石晶體屬立方晶系相同。由於碳-碳共價鍵非常強,因此鑽石是最抗刮損的天然材質。雖然民間有「鑽石是永恆的」一說,但實際上鑽石在標準環境下並不具備熱力學穩定性,而且會轉變為石墨。[13]然而由於轉變需要較高的活化能,所以該過程極為緩慢,肉眼無法觀察。碳在某些情況下會結晶成藍絲黛爾石。這一形態為六方晶體,所有碳原子間都以共價鍵鍵合。因此藍絲黛爾石與鑽石特性相近。[31]

富勒烯的結構與石墨相似,但除了六角碳原子環以外,它還含有五角環和七角環。這些環鑲嵌成平面,卷縮成球體、橢球體和圓柱體等形狀。各種富勒烯(包括巴基球碳納米管和 碳納米芽)的特性仍尚待研究,屬於納米材料科學的範疇。「富勒烯」(Fullerene)和「巴基球」(Buckyball)是以推廣 網格球頂作為建築結構的建築師巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)命名的,而網格球頂與富勒烯的幾何結構相似。巴基球是較大的純碳單質分子,每個碳原子與三個碳原子鍵合,形成橢球體(最簡單的一種為足球形的C60,亦即 巴克敏斯特富勒烯)。[25]碳納米管則是碳原子六角形密鋪平面所卷縮而成的管狀(圓柱體)分子。[26][27]2007年,科學家首次宣佈發現碳納米芽,一種巴基球和碳納米管的混合體(巴基球鍵合在碳納米管壁上)。碳納米芽同時具有巴基球和碳納米管的屬性。[28]


其他同素異形體還有碳納米泡沫,發現於1997年,具鐵磁性。碳納米泡沫由眾多碳原子低密度聚集而成,每個原子與三個碳原子鍵合,形成由六角或七角環串聯而成的鬆散三維網格。它是已知最輕的固體之一,密度約為2 kg/m3[36]同樣,玻璃碳也含有大量的內部氣孔。[32]但與普通石墨不同,其每一層並不平行層疊,而是以相對隨機的方式排布。直鏈乙炔碳[34]的化學結構為[34]-(C:::C)n-。這一分子呈直鏈型,具有sp混成軌域,是一種在三鍵和單鍵之間交替的聚合物。其楊氏模量是世界上最堅硬材料鑽石的40倍,因此在納米科技中有相當的研究空間。[37]

存量

石墨礦石
原始鑽石晶體
1990年海面水溶無機碳存量(取自 全球海洋數據分析計劃)

碳在全宇宙各元素中總質量排列第四,位於氫、氦和氧之後。碳大量存在於彗星、大部分行星大氣層、太陽以及其他恒星中。一些隕石含有太陽系還處於原行星盤時所遺留下來的微鑽石。隕石撞擊時的巨大溫度和壓力也會在撞擊坑處形成微鑽石。[38]

碳與結合成二氧化碳,大量存在於地球大氣中(當中約有8100億噸碳)並溶解在所有水體中(約有36萬億噸碳)。整個生物圈共含有約1.9萬億噸碳。碳氫化合物(如石油天然氣)同樣含有碳:煤礦儲備共有約9000億噸碳,石油儲備有約1500億噸碳,而天然氣則有約1050億噸碳,但仍不包括頁岩氣等非常規天然氣源(含有5400億噸碳)。[39]碳也封存在地球兩極和海底的甲烷水合物中,碳含量估計共有5千億至2萬5千億噸,[40]另有研究估計含量為3萬億噸。[41]過去的碳氫化合物含量比今天要多。從1751年至2008年有大約3470億噸碳在化石燃料燃燒過程中以二氧化碳的形式釋放到大氣層中。[42]

碳酸鹽岩石(石灰石白雲石大理石等等)中含有大量的碳。最大的碳礦石來源是,佔化石燃料的80%。[43]

若以個別同素異形體計算,則石墨主要位於美國(以紐約州德克薩斯州為主)、俄羅斯墨西哥格陵蘭印度。天然鑽石主要出現在古火山的「頸部管道」部分的金伯利岩內。大部分鑽石礦藏都位於非洲,其中以南非納米比亞博茨瓦納剛果共和國塞拉里昂居多。其他礦藏地點包括美國阿肯色州加拿大、俄羅斯北極圈內、巴西以及西澳洲好望角對出的洋底也有進行鑽石的開採。雖然自然界中存在著不少鑽石,但是在美國有30%的工業用鑽石都是人工合成的。

宇宙射線會在海拔9至15公里的對流層平流層處產生碳-14。[44]這一反應中,熱中子撞擊氮-14原子核,形成碳-14原子核及一顆質子

同位素

所有碳同位素的原子都有6顆質子,但中子數各異(從2到16顆不等)。碳有兩個自然存在的穩定同位素:[11]碳-1212C)佔地球上碳的98.93%,而碳-1313C)則佔剩餘的1.07%。[11]生物體中12C同位素的比率更高,因為生物化學反應會選擇性地消除13C。[45]1961年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)決定以碳-12同位素作為原子量單位的定義標準。[46]核磁共振所探測的就是13C。

碳-1414C)是自然產生的放射性同位素,在地球上的豐度為一萬億分之一(0.0000000001%),主要存在於大氣層和地表礦藏中,如泥炭及其他有機物質等。[47]碳-14以0.158 MeV能量進行β衰變。由於半衰期只有5730年,所以該同位素在古老岩石中幾乎絕跡,但會在大氣高層(低平流層及高對流層)中經宇宙射線間的反應而不斷產生。[48]14C在大氣層及生物體中的豐度幾乎守恆,但在生物體死亡後有規律地衰減,這就是放射性碳定年法的原理。該定年法可測量年齡在4萬年以下的含碳物質。[49][50]

碳有15種已知同位素,其中存活時間最短的是8C,它會進行質子發射α衰變,半衰期為1.98739x10−21秒。[51]同位素19C有 核暈效應,即其半徑比密度均勻的正常球體原子核高得多。[52]

星體內部核合成

碳原子核的合成需要在巨星超巨星內部,通過3顆α粒子原子核)幾乎同時互相撞擊而形成,稱為3氦過程。進一步與氫或氦融合後分別產生的 鋰-5和鈹-8都很不穩定,因此會迅速衰變回較小的原子核。[53]這種情況下的溫度達到1億開爾文,所需的氦濃度極高。大爆炸後的宇宙迅速膨脹、冷卻,因此大爆炸沒有產生大量的碳元素。赫羅圖中的水平分支恒星則具備3氦過程的所需條件,可以大量生成碳。[54]超新星爆炸再將這些恒星內部的碳散佈到太空中,這些含碳的塵埃聚合形成第二代、第三代恒星及其行星。太陽系屬於第三代恒星系統,因此地球生物所賴以為生的碳元素,最初也是在巨大恒星的內部合成的。[55]另外,通過碳氮氧循環過程,碳作為聚變反應的催化劑,為恒星提供了絕大部分的能量。

亞毫米波天文學能夠探測到含不同碳同位素的一氧化碳間的循環轉換(12CO、13CO及C18O),這可用於研究分子雲剛剛形成的恒星。[56]

碳循環

碳循環示意圖。黑色數字表示各種碳礦藏儲備,紫色數字表示各種儲備間碳的轉移,以十億噸碳每年為單位(GtC)。圖中的沉澱物數字不包括約7000萬GtC的碳酸鹽岩石和油母質

在地球上並不容易發生元素間的轉變,因此地球上的碳基本上是守恆的。任何使用到碳的物理及化學過程都必須從一處取得碳,並在過程後轉移到另一處。環境中碳所遵循的路徑稱為碳循環。例如,植物從周圍環境中吸取二氧化碳,用以增加自身質量。動物可能會進食一部分植物體,並再以二氧化碳把碳還原到環境中。整個碳循環實際上複雜得多,比如一些二氧化碳會溶解在海洋中,動植物死亡後也會成為石油,再經焚燒把碳還原到大氣中。[57][58]

其他语言
Afrikaans: Koolstof
Alemannisch: Kohlenstoff
አማርኛ: ካርቦን
aragonés: Carbonio
العربية: كربون
مصرى: كاربون
অসমীয়া: কাৰ্বন
asturianu: Carbonu
azərbaycanca: Karbon
تۆرکجه: کربون
башҡортса: Углерод
žemaitėška: Onglė
беларуская: Вуглярод
беларуская (тарашкевіца)‎: Вуглярод
български: Въглерод
भोजपुरी: कार्बन
বাংলা: কার্বন
བོད་ཡིག: སོཕ་རྗས།
brezhoneg: Karbon
bosanski: Ugljik
català: Carboni
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: Táng
Cebuano: Karbon
کوردی: کاربۆن
corsu: Carboniu
čeština: Uhlík
Чӑвашла: Кăмрăкамăш
Cymraeg: Carbon
dansk: Carbon
Deutsch: Kohlenstoff
dolnoserbski: Wuglik
Ελληνικά: Άνθρακας
English: Carbon
Esperanto: Karbono
español: Carbono
eesti: Süsinik
euskara: Karbono
فارسی: کربن
suomi: Hiili
Na Vosa Vakaviti: Kaboni
føroyskt: Kolevni
français: Carbone
Nordfriisk: Koolestuf
furlan: Carboni
Frysk: Koalstof
Gaeilge: Carbón
贛語:
Gàidhlig: Gualan
galego: Carbono
Avañe'ẽ: Tatapỹi
ગુજરાતી: કાર્બન
Gaelg: Carboan
客家語/Hak-kâ-ngî: Than
Hawaiʻi: Kalepona
עברית: פחמן
हिन्दी: कार्बन
Fiji Hindi: Koila
hrvatski: Ugljik
hornjoserbsce: Wuhlik
Kreyòl ayisyen: Kabòn
magyar: Szén
Հայերեն: Ածխածին
interlingua: Carbon
Bahasa Indonesia: Karbon
Ilokano: Karbon
Ido: Karbo
íslenska: Kolefni
italiano: Carbonio
日本語: 炭素
Patois: Kaaban
la .lojban.: tabno
Basa Jawa: Karbon
ქართული: ნახშირბადი
Kabɩyɛ: Karɩbɔnɩ
Gĩkũyũ: Carbon
қазақша: Көміртегі
ភាសាខ្មែរ: កាបូន
ಕನ್ನಡ: ಇಂಗಾಲ
한국어: 탄소
Перем Коми: Шомувтыр
Ripoarisch: Kohlenstoff
kurdî: Karbon
Кыргызча: Көмүртек
Latina: Carbonium
Lëtzebuergesch: Kuelestoff
лезги: Углерод
Limburgs: Koolstof
Ligure: Carbonio
lumbaart: Carboni
lingála: Kaboni
lietuvių: Anglis
latviešu: Ogleklis
Basa Banyumasan: Karbon
мокшень: Седель
Malagasy: Karbônina
олык марий: Шӱйдӱҥ
Māori: Waro
македонски: Јаглерод
മലയാളം: കാർബൺ
मराठी: कार्बन
кырык мары: Углерод
Bahasa Melayu: Karbon
Malti: Karbonju
မြန်မာဘာသာ: ကာဗွန်
эрзянь: Седь
Nāhuatl: Tecolli
Plattdüütsch: Kohlenstoff
नेपाली: कार्बन
नेपाल भाषा: कार्बोन
Nederlands: Koolstof
norsk nynorsk: Karbon
norsk: Karbon
Novial: Karbo
Diné bizaad: Káábin
occitan: Carbòni
Livvinkarjala: Hiilisuadu
ଓଡ଼ିଆ: ଅଙ୍ଗାରକ
ਪੰਜਾਬੀ: ਕਾਰਬਨ
Papiamentu: Karbon
पालि: कार्बोन
Piemontèis: Carbòni
پنجابی: کاربن
português: Carbono
Runa Simi: K'illimsayaq
română: Carbon
armãneashti: Carbonu
русский: Углерод
русиньскый: Карбон
संस्कृतम्: कार्बन
саха тыла: Углерод
sardu: Carbòniu
sicilianu: Carbòniu
Scots: Caurbon
srpskohrvatski / српскохрватски: Ugljenik
සිංහල: කාබන්
Simple English: Carbon
slovenčina: Uhlík
slovenščina: Ogljik
chiShona: Carbon
Soomaaliga: Kaarboon
shqip: Karboni
српски / srpski: Угљеник
Seeltersk: Koolestof
Basa Sunda: Karbon
svenska: Kol
Kiswahili: Kaboni
தமிழ்: கரிமம்
తెలుగు: కార్బన్
тоҷикӣ: Карбон
Tagalog: Karbon
Türkçe: Karbon
ئۇيغۇرچە / Uyghurche: كاربون
українська: Вуглець
اردو: کاربن
oʻzbekcha/ўзбекча: Uglerod
vèneto: Carbonio
vepsän kel’: Hil'nik
Tiếng Việt: Cacbon
West-Vlams: Carbong
Volapük: Karbin
walon: Carbone
Winaray: Carbono
吴语:
хальмг: Углерод
isiXhosa: I-carbon
ייִדיש: קוילנשטאף
Yorùbá: Kárbọ̀nù
Vahcuengh: Danq
文言:
Bân-lâm-gú: Thòaⁿ-sò͘
粵語: