碳的物理化學(xué)性質(zhì)
碳是一種非金屬元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。接下來學(xué)習(xí)啦小編為你整理了碳的物理化學(xué)性質(zhì)，一起來看看吧。
碳的物理性質(zhì)
同位素
現(xiàn)代已知的同位素共有十五種，有碳8至碳22，其中碳12和碳13屬穩(wěn)定型，其余的均帶放射性，當(dāng)中碳14的半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年，其他的為穩(wěn)定同位素。 在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占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(quán)的平均值，一般計(jì)算時(shí)取12.01。碳12是國(guó)際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數(shù)為1摩爾。碳14由于具有較長(zhǎng)的半衰期，衰變方式為β衰變，碳14原子轉(zhuǎn)變?yōu)榈?且碳是有機(jī)物的元素之一，生物在生存的時(shí)候，由于需要呼吸，其體內(nèi)的碳14含量大致不變，生物死去后會(huì)停止呼吸，此時(shí)體內(nèi)的碳14開始減少。人們可透過傾測(cè)一件古物的碳14含量，來估計(jì)它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。
符號(hào)
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質(zhì)子
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中子
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質(zhì)量(u)
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半衰期
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核自旋
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相對(duì)豐度
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相對(duì)豐度變化量
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8 C
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6
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2
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8.037675(25)
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2.0(4) x 10-21s[230(50) keV]
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0+
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9 C
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6
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3
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9.0310367(23)
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126.5(9) ms
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(3/2-)
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10 C
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6
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4
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10.0168532(4)
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19.290(12) s
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0+
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11 C
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6
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5
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11.0114336(10)
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20.334(24) min
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3/2-
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12 C
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6
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6
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12 by definition
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穩(wěn)定
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0+
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0.9893(8)
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0.98853-0.99037
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13 C
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6
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7
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13.0033548378(10)
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穩(wěn)定
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1/2-
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0.0107(8)
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0.00963-0.01147
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14 C
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6
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8
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14.003241989(4)
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5.70(3) x 103 years
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0+
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15 C
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6
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9
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15.0105993(9)
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2.449(5) s
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1/2+
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16 C
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6
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10
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16.014701(4)
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0.747(8) s
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0+
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17 C
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6
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11
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17.022586(19)
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193(5) ms
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(3/2+)
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18 C
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6
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12
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18.02676(3)
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92(2) ms
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0+
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19 C
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6
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13
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19.03481(11)
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46.2(23) ms
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(1/2+)
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20 C
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6
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14
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20.04032(26)
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16(3) ms [14(+6-5) ms]
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0+
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21 C
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6
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15
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21.04934(54)#
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<30 ns
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(1/2+)#
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22 C
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6
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16
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22.05720(97)#
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6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]
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0+
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備注：畫上#號(hào)的數(shù)據(jù)代表沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的證明，只是理論推測(cè)而已，而用括號(hào)括起來的代表數(shù)據(jù)不確定性。
同素異形體
金剛石 碳
以無煙煤(一種煤炭類型)，石墨和鉆石的形式天然的存在，歷史上更容易得到的是煤灰或木炭。最終這些不同的材料被認(rèn)為是由相同的元素形成的。不驚奇的是，鉆石是最難確認(rèn)的。來自佛羅倫薩(意大利)的博物學(xué)者Giuseppe Averani和醫(yī)學(xué)工作者Cipriano Targioni首先發(fā)現(xiàn)了鉆石是可以被加熱摧
毀的。在1694年他們使用一個(gè)大型放大鏡聚集陽光到鉆石上，寶石最終消失了。Pierre-Joseph Macquer和Godefroy de Villetaneuse在1771年重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。之后，在1796年，英國(guó)化學(xué)家Smithson Tennant展示其燃燒后生成的僅僅是CO2而最終證明了鉆石只是碳的一種形式。
金剛石是最為堅(jiān)固的一種碳結(jié)構(gòu)，其中的碳原子以晶體結(jié)構(gòu)的形式排列，每一個(gè)碳原子與另外四個(gè)碳原子緊密鍵合，成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔沸點(diǎn)高，熔點(diǎn)超過3500℃，相當(dāng)于某些恒星表面溫度。在金剛石分子中，每一個(gè)碳原子都被另外四個(gè)碳原子包圍著，這些碳原子以很強(qiáng)的結(jié)合力連接在一起，形成了一個(gè)巨大的分子，因此金剛石很堅(jiān)硬。金剛石是絕緣體。用途是作裝飾品，鉆頭材料等。
石墨 石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細(xì)鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質(zhì)又有分子晶體的性質(zhì)。質(zhì)軟，有滑膩感，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。熔沸點(diǎn)高。石墨分子中每一個(gè)碳原子只與其他三個(gè)碳原子以較強(qiáng)的力結(jié)合，形成了一種層狀的結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合力較小，因此石墨可以作為潤(rùn)滑劑。用途是制作鉛筆，電極，電車?yán)|線等。
足球烯 1985年由美國(guó)德克薩斯州羅斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。一個(gè)C60分子中有60個(gè)C原子，構(gòu)成32個(gè)面，20個(gè)正六邊形，12個(gè)正五邊形。富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)鍵合在一起。(結(jié)構(gòu)如圖d,e,f)屬于分子晶體，熔沸點(diǎn)低，硬度小，絕緣。
藍(lán)絲黛爾石(Lonsdaleite，與金剛石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石)
蠟石(Chaoite，石墨與隕石碰撞時(shí)產(chǎn)生，具有六邊形圖案的原子排列)
汞黝礦結(jié)構(gòu)(Schwarzite，由于有七邊形的出現(xiàn)，六邊形層被扭曲到“負(fù)曲率”鞍形中的假想結(jié)構(gòu))碳纖維(Filamentous carbon，小片堆成長(zhǎng)鏈而形成的纖維)
碳?xì)饽z(Carbon aerogels，密度極小的多孔結(jié)構(gòu)，類似于熟知的硅氣凝膠)
碳納米泡沫(Carbon nanofoam，蛛網(wǎng)狀，有分形結(jié)構(gòu)，密度是碳?xì)饽z的百分之一，有鐵磁性)
石墨烯 是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
其他結(jié)構(gòu) 無定形碳(Amorphous，不是真的異形體,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是石墨)
碳的化學(xué)性質(zhì)
單質(zhì)
在氧氣中燃燒
劇烈放熱，發(fā)出刺眼白光，產(chǎn)生無色無味能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體
化學(xué)方程式：
C+O2==點(diǎn)燃==CO2(化合反應(yīng))
在空氣中燃燒
放熱，持續(xù)紅熱，產(chǎn)生無色無臭能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體CO2;當(dāng)燃燒不充分，即氧氣量不足時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳：
氧氣充足時(shí)化學(xué)方程式：
C+O2==點(diǎn)燃==CO2(化合反應(yīng))
氧氣不足時(shí)化學(xué)方程式：
2C+O2==點(diǎn)燃==2CO(化合反應(yīng))
作為還原劑
碳作為還原劑擁有和氫氣、一氧化碳相似的化學(xué)性質(zhì)(但生成物不同)，都可以從金屬氧化物中還原出金屬單質(zhì)。
碳還原氧化銅：
C+2CuO==高溫==2Cu+CO2↑(置換反應(yīng))
碳還原氧化鐵：
3C+2Fe2O3==高溫==4Fe+3CO2↑(置換反應(yīng))
碳還原二氧化碳：
C+CO2==高溫==2CO(化合反應(yīng))
但是，碳在密封空間與高錳酸鉀共熱，高錳酸鉀會(huì)分解出氧氣，碳會(huì)迅速氧化，會(huì)發(fā)生爆炸。
與強(qiáng)氧化性酸反應(yīng)：
C+2H2SO4(濃)==加熱==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3(濃)==加熱==CO2↑4NO2↑+2H2O
穩(wěn)定性
碳在“常溫”下具有穩(wěn)定性，不易反應(yīng)，故古代名畫現(xiàn)代能保存，書寫檔案要用碳素墨水
化合物
碳的化合物中，只有以下化合物屬于無機(jī)物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫?qū)倩衔铩⒍蚧?CS2)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰及一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，其它含碳化合物都是有機(jī)化合物。
由于碳原子形成的鍵都比較穩(wěn)定，有機(jī)化合物中碳的個(gè)數(shù)、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(jī)物數(shù)量極其繁多這一現(xiàn)象，現(xiàn)代人類發(fā)現(xiàn)的化合物中有機(jī)物占絕大多數(shù)。有機(jī)物的性質(zhì)與無機(jī)物大不相同，它們一般可燃、不易溶于水，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，已形成一門獨(dú)立的分科——有機(jī)化學(xué)。
毒理性質(zhì)
純碳具有極低的對(duì)人體的毒性，并可以處理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地?cái)z取。碳可以抵抗溶解或化學(xué)侵蝕，例如，即使是面對(duì)消化道內(nèi)的酸性物質(zhì)。因此它一旦進(jìn)入人體組織后可能會(huì)無期限存留。炭黑可能是最早用來紋身的顏料之一，如冰人奧茲被發(fā)現(xiàn)有炭黑紋身，這些紋身從他存活開始一直到他死后5200年后都一直存在。然而，吸入大量煤炭(或炭黑)粉塵或煙塵是危險(xiǎn)的，它們會(huì)刺激肺組織，并引起充血性肺病煤工塵肺。相似的，金剛石磨粉被誤食或吸入也會(huì)有危險(xiǎn)。
碳對(duì)地球上幾乎所有生物都是低毒的，然而對(duì)某些生物是有毒的，例如碳納米顆粒對(duì)果蠅是致命的。碳化合物種類繁多，既有致命毒素如河豚毒素、從蓖麻種子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物種如葡萄糖、蛋白質(zhì)。
碳的物理化學(xué)性質(zhì)
