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拼音:tàn  部首:  总笔画:14  部外笔画:9  结构:左右  五笔:DMDO  倉頡:MRUMF  次常用字 

基本释义:

  • tàn

  一种非金属元素,无臭无味的固体。无定形碳有焦炭,木炭等,晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦碳。在工业上和医药上,碳和它的化合物用途极为广泛。

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碳 tàn

  1. 化学元素,元素符号C,原子序数6,原子量12.010,7。无臭无味的固体。无定形碳有焦炭、木炭等,晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦碳。在工业上和医药上,碳和它的化合物用途极为广泛。


  (英文:carbon)是自然界中分布很广的元素之一,在地壳中的含量并不大,约为0.027%。在太阳行星以及其他许多天体的大气中含有大量的碳,例如火星大气中二氧化碳占96.2%。在陨石中也发现有碳的微粒。

  单质碳有四种同素异形体:自然界存在金刚石石墨两种晶体单质碳,人造的无定形碳(包括焦炭炭黑活性炭碳纤维玻璃炭等),人工合成得到的具有多种结构的全碳分子(例如具有球状结构的富勒烯和具有管状结构的碳纳米管)。这几种单质碳结构不同,性质迥异。单质碳的物理、化学性质取决于它的晶体结构和显微结构。

  自然界中,碳主要以化合状态存在,如二氧化碳存在于大气中(约占3%体积),溶解于所有的天然水中。碳以等的碳酸盐形式作为岩石和矿物的成分,如石灰石大理石(CaCO3)、白云石(CaCO3·MgCO3)、菱铁矿(FeCO3)、重晶石(BaCO3)、孔雀石〔CuCO3·Cu(OH)2〕等。碳与及其他元素生成众多有机化合物以及生物物质,约占生物体的18%,可以说碳是生命的物质基础。地下蕴藏的矿物燃料石油煤炭天然气主要是碳氢化合物。

  同位素 碳有11种同位素,其中最主要的是两种稳定的天然同位素碳–12(碳元素的主要成分,在天然碳中占98.89%)和碳–13(占1.11%),以及一种最稳定最重要的放射性同位素碳–14(半衰期5,730±40年),其他同位素较不稳定。1961年国际纯粹与应用化学联合会选定以碳–12同位素的原子量为12作为原子量的标准。自然界中的碳-14是由于宇宙线中的中子轰击高空大气中的氮–14而生成的。由于地球上的生物吸收和放出CO2的代谢过程不断进行,生物体内碳-14的含量也保持不变。生物一旦死亡,体内的碳–14按照其半衰期恒定的速率衰变而逐渐减少。因此发掘出地下埋藏的动植物体或其化石,测定其中碳-14的含量,就可以估算生物体死亡的年代,从而判断生物体所在地的地质年代。这种碳-14法定年已被地质学家、人类学家、考古学家所广泛应用。

  物理性质 金刚石中每个碳原子按四面体的四个顶角方向和其他四个碳原子以共价键结合,形成无限的三维骨架,因此具有很高的强度,是天然物质中硬度最大的物质,是热和电的不良导体。石墨中的每个碳原子按平面三角形等距离地和其他三个碳原子以共价键结合,形成平面,各层碳原子平面之间靠剩余的一些游动的电子形成大π键连结,因此石墨是柔软润滑的物质,是热和电的良导体。无定形碳,顾名思义,没有特定的形状和周期结构规律,例如活性炭是以石墨乱层形成的微粒,其中有许多可嵌入的空隙和层间隙,因而具有良好的吸附性能。

  化学性质 碳原子的电子组态为1s22s22p2,有4个价电子,氧化态+2、+3、+4,电负性中等,不容易丢失电子成正离子,也不容易获得电子形成负离子,而容易形成由共价键结合的四价碳的化合物。金刚石和石墨的化学稳定性高于无定形碳。碳在常温下化学性质不活泼,很难氧化,也不与酸或碱反应。高温下碳可与氧或硫蒸气化合,分别生成二氧化碳二硫化碳,也可与多种金属如钙、钨、钛以及硼、硅反应生成相应的碳化物。高温下碳又可与金属氧化物中的氧化合,将其还原为金属。

  化合物 碳与氢、氧、氮等元素生成组成多种多样、结构复杂、种类繁多、数以百万计的有机化合物。碳还能形成一系列无机化合物,其数量远比有机化合物少。

  氧化物 碳与氧可生成3种主要的氧化物:一氧化碳CO、二氧化碳CO2和二氧化三碳C3O2

  1. 一氧化碳 是无色、无臭的气体,有剧毒和可燃性,微溶于水。当内燃机和各种炉子中的碳或碳燃料未完全燃烧转化为二氧化碳时,其排出的废物中会含有一氧化碳。一氧化碳比氧更容易被人体中血红细胞所吸收,因此阻碍氧气从肺部向人体各需氧组织输送,特别是造成中枢神经系统缺氧,从而引起头痛、眩晕、恶心、昏迷、呼吸衰竭等中毒症状,必须采取急救措施。工业中所用的一氧化碳是将空气通入炽热的焦炭或煤层而制得的。
  2. 二氧化碳 是无色而略带刺鼻酸味的气体,是在含碳物质的燃烧、发酵和动物呼吸中生成的。在冷却和加压下,可将二氧化碳液化,储存在钢瓶中运输和销售。碳酸饮料(如可口可乐)和啤酒中都含有溶解的二氧化碳。二氧化碳是重要的化工原料,可用于生产许多化学品,如纯碱、小苏打、尿素、碳酸氢铵、铅白等,还可用作灭火剂、超临界萃取剂等。
  3. 二氧化三碳 在常温下是无色、有毒、难闻的气体,沸点7℃,熔点-108℃。在空气中燃烧产生蓝色火焰和黑烟。这个碳的低氧化物是丙二酸酐O═C═C═C═O。和水反应生成丙二酸,和卤化氢、醇、胺等反应生成丙二酸的衍生物。在140~150℃五氧化二磷作用下减压蒸馏丙二酸可制得。

  二氧化三碳溶于二硫化碳和二甲苯,可与氧、氨、氯化氢、溴化氢等反应。在光照下分解为CO和C2O,C2O可进一步分解为C和CO。

  碳化物 碳与多种金属以及等形成碳化物。最常见的是碳化钙CaC2(商业名称电石),它由焦炭石灰石在高温电炉中反应生成。碳化钙与水反应,产生乙炔。钛、铌、钽、钨、钼等过渡金属的碳化物具有高熔点、高硬度和化学稳定性,是合金陶瓷复合材料的重要组分。碳化硅和碳化硼的结构和硬度与金刚石相近,大量用作研磨材料。碳化铁是钢和铸铁中的重要组分,即渗碳体,它赋予钢铁更高的硬度和强度。

  碳酸盐 二氧化碳或碳酸(H2CO3)与钠、钾、钙、镁等金属离子或铵离子生成多种碳酸盐。碳酸盐是重要的化工原料,如纯碱Na2CO3、化肥碳酸氢铵NH4HCO3等。碳酸钙是许多矿物(如石灰石、白云石)的主要成分。自然界中碳酸盐型矿物有数十种。碳酸中的氢离子也可以被乙基─C2H5等有机基团取代而形成有机碳酸盐——碳酸酯。

  卤化物 碳和卤素可形成通式为CX4(X代表卤素)的卤化物。在室温下,四氟化碳CF4是气体,四氯化碳CCl4是液体,四溴化碳CBr4和四碘化碳CI4都是固体。它们都是四面体结构的共价化合物,其中最重要的是四氯化碳,其次是四氟化碳。四溴化碳是无色单斜晶体,熔点90.1℃,沸点189.5℃,可溶于乙醇乙醚氯仿。四碘化碳是暗红色立方晶体,171℃分解,可溶于甲醇、乙醇、乙醚和。这两种四卤化物热稳定性较差,在加热时都容易分解,可由四氯化碳与溴化铝碘化铝反应来制备。此外,还有碳的各种混合卤化物,最重要的是二氟二氯甲烷(氟利昂)。

  氰化物 一类含氰离子CN-的化合物,是氰化氢HCN的衍生物,如氰化钠NaCN和氰化钾KCN,均为无色立方晶体,可溶于水,剧毒。在空气中,氰化钠与元素金作用,能生成可溶性金氰配合物Na[Au(CN)2],因此可用于提取矿石中的砂金。

  制法 任何有机物在被加热分解时都能转变为单质碳。碳化过程包括脱去有机物中的氢和其他原子,转变为碳的高聚物,进而转变为类似石墨结构的单质碳。根据有机物原料的不同以及加热碳化方式和条件的不同,可以制得各种形态的单质碳产物。例如将烟煤隔绝空气加热至高温,除去其中的挥发物成分,可以制得焦炭。将沥青制得的焦炭在3,000℃的电炉中加热,可以制得石墨。将木材、果壳加热分解、碳化,再加以氧化活化,可以制得活性炭。由酚醛树脂或聚亚胺酯在控制条件下热解可以制得玻璃碳。在控制条件下使高分子纤维或织物碳化还可以制得碳纤维或碳布。乙炔、煤油等在不完全燃烧的情况下生成颗粒极细的炭黑。在高温高压和有催化剂的条件下,可以将石墨转化为金刚石。C60、C70和碳纳米管可以用石墨棒做电极,在氦气中放电,从阴极沉淀物中分离得出。

  应用 不同结构、形态和性能的单质碳,各有不同的用途。天然产、色泽好的大粒金刚石是珍贵的钻石,用作饰物;人工合成的细小的金刚石则用作磨料或制成用于钻孔、切割的钻头、锯片。焦炭用于冶金工业中还原金属氧化物矿石(如氧化铁、氧化锌),以制备金属。活性炭具有大量微孔和活性内表面,有很强的吸附性能,可用作吸附剂以脱去气体和液体中的杂质、颜色和气味。炭黑用作橡胶制品(如汽车轮胎、传送带)中的填充剂,以增加其强度和耐磨性。玻璃碳具有质密、不透性和化学惰性,其硬度和脆性类似普通玻璃,可以制作实验室化学反应用或生长硅单晶用的坩埚及其他器皿。碳纤维可以做成柔性、气密的膜片以代替石棉,也可以做成质地轻、强度大的复合材料器件,如钓鱼竿等。

  毒性 各种形态的单质碳对环境和人类健康无害。人们吸入或接触到活性炭微粉时,会感觉到轻微的刺激性。

百科条目

首字为“碳”的词语

  碳中和  碳黑  碳弧灯  碳弧  碳化钙  碳化硅  碳化物  碳水化合物  碳素钢  碳酸  碳酸钾

  碳酸钠  碳酸氢钠  碳纤维  碳循环


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