0号元素专题之碳元素简介

碳(Carbon)是非金属元素，化学符号是C，在室温下具有稳定性，无反应，对人体毒性极低，可安全食用石墨或活性炭，是元素周期表的第二周期IVA族。

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和生物之中。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。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。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 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。生物体内绝大多数分子都含有碳元素。

发现历史

碳的英文名称carbon来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo，也来源于法语中的charbon，意思是木炭。 在德国、荷兰和丹麦，碳的名字分别是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物质。

碳在史前就已被发现，炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知 ，同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样：通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。 在1722年，René Antoine Ferchault de Réaumur证明铁通过吸收一些物质能变成钢，这种物质就是熟知的碳。 在1772年，安东尼·拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式，当他将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。在1779年，卡尔·威廉·舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物 ，并且他给了当用硝酸氧化时，产物的名字空气中的酸（"aerial acid"），即二氧化碳。 在1786年，法国化学家Claude Louis Berthollet，Gaspard Monge 和 C. A. Vandermonde通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。

存在分布

矿藏形式

碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大，但典型的数值可取180ppm；按丰度顺序，这个元素位于第17位，在钡、锶、硫之后，锆、钒、氯、铬之前。 石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩；晶体大小从不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%（马尔加什）。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨（有时称为“无定形体”）存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。

金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩（火山筒），它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。 随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。

三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业：它们是焦炭、炭黑和活性炭。

物理性质

同位素

现代已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达5730年，其他的为不稳定同位素。 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，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。

备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

化学性质

单质

在氧气中燃烧

剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体

化学方程式：

在空气中燃烧

放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体CO2；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳：

氧气充足时化学方程式：

氧气不足时化学方程式：

作为还原剂

碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。

碳还原氧化铜：

碳还原氧化铁：

碳还原二氧化碳：

但是，碳在密封空间与高锰酸钾共热，高锰酸钾会分解出氧气，碳会迅速氧化，会发生爆炸。

与强氧化性酸反应：

稳定性

碳在常温下具有稳定性，不易反应。

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、碳化物、碳的硫属化合物、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰及一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，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，现代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，已形成一门独立的分科——有机化学。

毒理性质

纯碳具有极低的对人体的毒性，并可以处理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取。碳可以抵抗溶解或化学侵蚀，例如，即使是面对消化道内的酸性物质。因此它一旦进入人体组织后可能会无期限存留。炭黑可能是最早用来纹身的颜料之一，如冰人奥兹被发现有炭黑纹身，这些纹身从他存活开始一直到他死后5200年后都一直存在。 然而，吸入大量煤炭（或炭黑）粉尘或烟尘是危险的，它们会刺激肺组织，并引起充血性肺病煤工尘肺。相似的，金刚石磨粉被误食或吸入也会有危险。

碳对地球上几乎所有生物都是低毒的，然而对某些生物是有毒的，例如碳纳米颗粒对果蝇是致命的。 碳化合物种类繁多，既有致命毒素如河豚毒素、从蓖麻种子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物种如葡萄糖、蛋白质。