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碳是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期IVA族。它的化學符號是C，它的原子序數是6，電子構型為[He]2s22p2。碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。
拉丁語為Carbonium，意為「煤，木炭」。漢字「碳」字由木炭的「炭」字加表固體非金屬元素的石字旁構成，從炭字音。
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| 總體特性 | |||||||||||||||||||||||||
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| 名稱, 符號, 序號 | 碳、C、6 | ||||||||||||||||||||||||
| 系列 | 非金屬 | ||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, 元素分區 | 14族(IVA), 2, p | ||||||||||||||||||||||||
| 密度、硬度 | 2267 kg/m3、 0.5 (石墨) 10.0 (鑽石) | ||||||||||||||||||||||||
| 顏色和外表 | 黑色（石墨） 無色（鑽石）  | ||||||||||||||||||||||||
| 地殼含量 | 無數據 | ||||||||||||||||||||||||
| 原子屬性 | |||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 12.0107 原子量單位 | ||||||||||||||||||||||||
| 原子半徑（計算值） | 70（67）pm | ||||||||||||||||||||||||
| 共價半徑 | 77 pm | ||||||||||||||||||||||||
| 范德華半徑 | 170 pm | ||||||||||||||||||||||||
| 電子構型 | [氦]2s22p2 | ||||||||||||||||||||||||
| 電子在每能級的排布 | 2，4 | ||||||||||||||||||||||||
| 氧化價（氧化物） | 4，2（弱酸性） | ||||||||||||||||||||||||
| 晶體結構 | 六方（石墨） 立方（鑽石） | ||||||||||||||||||||||||
| 物理屬性 | |||||||||||||||||||||||||
| 物質狀態 | 固態（反磁性） | ||||||||||||||||||||||||
| 熔點 | 3773 K（3500 °C） | ||||||||||||||||||||||||
| 沸點 | 5100 K（4827 °C） | ||||||||||||||||||||||||
| 摩爾體積 | 5.29×10-6m3/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 汽化熱 | 355.8 kJ/mol（升華） | ||||||||||||||||||||||||
| 熔化熱 | 無數據（升華） | ||||||||||||||||||||||||
| 蒸氣壓 | 0 帕 | ||||||||||||||||||||||||
| 聲速 | 18350 m/s | ||||||||||||||||||||||||
| 其他性質 | |||||||||||||||||||||||||
| 電負性 | 2.55（鮑林標度） | ||||||||||||||||||||||||
| 比熱 | 710 J/(kg·K) | ||||||||||||||||||||||||
| 電導率 | 0.061×10-6/(米歐姆) | ||||||||||||||||||||||||
| 熱導率 | 129 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||
| 第一電離能 | 1086.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第二電離能 | 2352.6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第三電離能 | 4620.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第四電離能 | 6222.7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第五電離能 | 37831 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第六電離能 | 47277.0 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 最穩定的同位素 | |||||||||||||||||||||||||
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| 在沒有特別注明的情況下使用的是 國際標準基準單位單位和標準氣溫和氣壓 | |||||||||||||||||||||||||
[編輯] 性狀
碳單質通常是無臭無味的固體。單質碳的物理和化學性質取決於它的晶體結構，外觀、密度、熔點等各自不同。 碳的單質已知以多種碳同素異形體的形式存在：
- 石墨
- 鑽石（金剛石）
- 富勒烯（Fullerenes，也被稱為巴基球或足球烯）
- 無定形碳（Amorphous，不是真的異形體,內部結構是石墨）
- 碳奈米管（Carbon nanotube）
- 藍絲黛爾石（Lonsdaleite，與鑽石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石）
- 趙石墨（Chaoite，石墨與隕石碰撞時產生，具有六邊形圖案的原子排列）
- 汞黝礦結構（Schwarzite，由於有七邊形的出現，六邊形層被扭曲到「負曲率」鞍形中的假想結構）
- 纖維碳（Filamentous carbon，小片堆成長鏈而形成的纖維）
- 碳氣凝膠（Carbon aerogels，密度極小的多孔結構，類似於熟知的矽氣凝膠）
- 碳奈米泡沫（Carbon nanofoam，蛛網狀，有分形結構，密度是碳氣凝膠的百分之一，有鐵磁性）
最常見的兩種單質是高硬度的鑽石和柔軟滑膩的石墨，它們晶體結構和鍵型都不同。金剛石每個碳都是四面體4配位，類似脂肪族化合物；石墨每個碳都是三角形3配位，可以看作無限個苯環稠合起來。
常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑。
[編輯] 同位素
目前已知的同位素共有十二種，有碳8至碳19，其中碳12和碳13屬穩定型，其餘的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達五千多年，其他的均全不足半小時。
在地球的自然界裡，碳12在所有碳的含量佔98.93%，碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權的平均值，一般計算時取12.01。
碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數為1摩爾。碳14由於具有較長的半衰期，被廣泛用來測定古物的年代。
[編輯] 成鍵
碳原子一般是四價的，這就需要4個單電子，但是其基態只有2個單電子，所以成鍵時總是要進行雜化。最常見的雜化方式是sp3雜化，4個價電子被充分利用，平均分佈在4個軌道里，屬於等性雜化。這種結構完全對稱，成鍵以後是穩定的σ鍵，而且沒有孤電子對的排斥，非常穩定。金剛石中所有碳原子都是這種以此種雜化方式成鍵。烷烴的碳原子也屬於此類。
根據需要，碳原子也可以進行sp2或sp雜化。這兩種方式出現在成重鍵的情況下，未經雜化的p軌道垂直於雜化軌道，與鄰原子的p軌道成π鍵。烯烴中與雙鍵相連的碳原子為sp2雜化。
由於sp2雜化可以使原子共面，當出現多個雙鍵時，垂直於分子平面的所有p軌道就有可能互相重疊形成共軛體系。苯是最典型的共軛體系，它已經失去了雙鍵的一些性質。石墨中所有的碳原子都處於一個大的共軛體系中，每一個片層有一個
。
[編輯] 化合物
碳的化合物中，只有以下化合物屬於無機物：
其它含碳化合物都是有機化合物。 由於碳原子形成的鍵都比較穩定，有機化合物中碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機物數量極其繁多這一現象，目前人類 發現的化合物中有機物占絕大多數。有機物的性質與無機物大不相同，它們一般可燃、不易溶於水，反應機理複雜，現已形成一門獨立的分科有機化學。
[編輯] 分佈
碳存在於自然界中(如以金剛石和石墨形式)，是煤、石油、瀝青、石灰石和其它碳酸鹽以及一切有機化合物的最主要的成分，在地殼中的含量約0.027%。碳是占生物體干重比例最多的一種元素。碳還以二氧化碳的形式在地球上循環於大氣層與平流層。
在大多數的天體及其大氣層中都存在有碳。
[編輯] 發現
金剛石和石墨史前人類就已經知道。 富勒烯則於1985年被發現，此後又發現了一系列排列方式不同的碳單質。
同位素碳14於1940年被發現。
[編輯] 單質的精煉
[編輯] 鑽石
鑽石可以找到集中的塊狀礦藏，開採出來時一般都有雜質。用另外的鑽石粉末將雜質削去，並打磨成形，即得成品。一般在切削、打磨過程中要損耗掉一半的質量。
[編輯] 石墨
[編輯] 用途
在工業上和醫藥上，碳和它的化合物用途極為廣泛。
測量古物中碳14的含量，可以得知其年代，這叫做碳14斷代法。
石墨可以直接用作炭筆，也可以與粘土按一定比例混合做成不同硬度的鉛芯。金剛石除了裝飾之外，還可使切削用具更鋒利。無定形碳由於具有極大的表面積，被用來吸收毒氣、廢氣。富勒烯和碳奈米管則對奈米技術極為有用。
碳是鋼的成分之一。
碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。碳化合物一般從化石燃料中獲得，然後再分離併進一步合成出各種生產生活所需的產品，如乙烯、塑料等。
[編輯] 參看
[編輯] 外部連接
- （英文） 洛斯阿拉莫斯國家實驗室 —— 碳
- （英文） WebElements.com —— 碳
- （英文） EnvironmentalChemistry.com —— 碳
- （英文） 核磁共振 —— 碳
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