甲烷CH?是天然煤氣的主要粗分，是最簡(jiǎn)單的碳氧化合物。石油是由較重的碳?xì)浠衔锎殖傻摹Ｌ荚卮蠖啻嬖谟诘V物界,主要形式為碳酸鹽，例如石灰石就是碳酸鈣。碳更是生物界必要的成分。沒(méi)有一種有機(jī)體在它的重要結(jié)構(gòu)部分不含有碳的化合物。過(guò)去認(rèn)為碳的化合物，特別是比較復(fù)雜的碳的化合物，只能在有機(jī)體內(nèi)通過(guò)-一種活力才能產(chǎn)生，所以稱(chēng)這類(lèi)碳的化合物為有機(jī)化合物。 但自從1828年德國(guó)化學(xué)家伍勒(Wohler) 蒸發(fā)氰酸氨(NH?CNO)而得到尿素(CO(NH?)?)以后，在實(shí)驗(yàn)室丙人工制備出來(lái)的有機(jī) 化合物天天增 多?，F(xiàn)在已研究過(guò)的碳的化合物已超過(guò)- 百萬(wàn)種，遠(yuǎn)多于其他所有元素化合物的總數(shù)(約三萬(wàn)種)。研究這類(lèi)碳的化合物的科學(xué)稱(chēng)為有機(jī)化學(xué)。有機(jī)化學(xué)是化學(xué)內(nèi)的一個(gè)極重要的部門(mén)。
二、碳的變體和性質(zhì)
在自由狀態(tài)時(shí)，碳有三種變體:成等軸晶系結(jié)晶的金剛石、屬于六方晶系的石愚以及通常稱(chēng)為炭的所部無(wú)定形碳。根據(jù)近代的研究，無(wú)定形碳還是有定形的，它的精細(xì)結(jié)構(gòu)和石墨一樣，因此，現(xiàn) 在多稱(chēng)之為黑碗。金剛石為無(wú)色，石愚為灰色。 黑磯為黑色。在表14-4內(nèi)列出了碳的三種變體的若干性質(zhì)。
表14-4 碳變體的性質(zhì)
| 性質(zhì) |
金剛石 |
石墨 |
黑碳 |
| 顏色和透明 |
無(wú)色，透明 |
灰色，不透明 |
黑色，不透明 |
| 比重 |
3.514 |
2.22 |
1.85（碳黑） |
| 燃燒熱，卡/克 |
7873 |
7856 |
8129 |
碳不論是何形式，總是非常難熔和難揮發(fā)，它不溶于平常溶劑內(nèi)，但溶于熔化的金屬，象鐵、鈷、鎳和鉑金屬內(nèi)，冷時(shí)又以石墨的形式分離出來(lái)。在平常溫度時(shí)，碳的化學(xué)反應(yīng)性非常小，特別是金剛石和石墨。有幾種黑碳稍為加熱即在氧內(nèi)燃燒。在常溫時(shí)，木炭也與氟作用。在高溫時(shí)，碳與氧、硫、硅、硼和許多金屬化合。碳與金屬及電正性較高的元素化合所形成的化合物稱(chēng)為碳化物。碳不直接與氯化合，但有氫存在時(shí)與氮化合而產(chǎn)生氰化氫。
1.金剛石
在金剛石內(nèi)，每個(gè)碳原子以共價(jià)鍵與在其周圉排列為四面體的四個(gè)其他碳原子相結(jié)合(圖14-1)。C-C的鍵長(zhǎng)1.54Å。因此，整個(gè)晶體是一個(gè)巨大的碳分子。金剛石的非常硬的特性就是由于這樣的結(jié)構(gòu)所致，因?yàn)橐怪屏?，必須折斷這些牢固的共價(jià)鍵。金剛石的碳原子的所有的價(jià)電子皆完全形成共價(jià)鍵而無(wú)自由電子，故無(wú)導(dǎo)電性。它有很高的折光率，2.42,經(jīng)過(guò)磨工以后，稱(chēng)為鉆石;用作裝飾品，有極高的光亮度，因?yàn)檎丈涞墓獗凰鼛缀跞糠瓷涑鰜?lái)。
金剛石不受酸和堿的作用，但在氧中加熱到800°C以上則燃燒為二氧化碳。在與空氣隔絕的情況下加熱即轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。碳在高溫時(shí)受到極高的壓力時(shí)可能結(jié)晶而生成金剛石，但用人工制備金剛石的企圖迄今尚未成功。
2.石墨
在石墨的晶體內(nèi)，碳原子排列成六角形，這些六角形構(gòu)成互相平行的平面(圖14-2)。在每一平面內(nèi)的每一碳原子都和其他三個(gè)碳原子以共價(jià)鍵相速接，C—C鍵長(zhǎng)1.42Å。面與面之間的距離為3.40Å,故不可能有共價(jià)鍵的存在。面與面的秸合只能看作是由于較弱的凡得瓦爾力所致。因此，假如金剛石的晶體是一個(gè)巨大的三向分子，則石墨晶體秸構(gòu)內(nèi)的每一層是一個(gè)巨大的二向碳分子。石墨的密度較金剛石為低，這是因?yàn)閷优c層之間的距離較遠(yuǎn)。因?yàn)槭菍訝罱諛?gòu)，所以它的許多特性是顯方向性的。由于層與層之間的秸合力很弱，各層容易滑動(dòng)，故石墨可用作潤(rùn)滑劑。在衹上劃過(guò)，它的細(xì)小片狀秸晶就會(huì)粘附在紙上而留下灰色的錢(qián)痕，故石墨又用于制造鉛筆。與金剛石不同，石墨是電和熱的良導(dǎo)體，因?yàn)樵谒慕諛?gòu)內(nèi)，每個(gè)碳原子只與其他三個(gè)原子結(jié)合，形成三個(gè)共價(jià)鍵，故有一個(gè)電子比較自由。因此，石墨在電氣工業(yè)上又用來(lái)制造電極。石墨耐燒灼，與粘土混合可制成熔融金屬的耐火坩堝，現(xiàn)在石墨可用人工方法制得，即將強(qiáng)交流電通過(guò)與樹(shù)脂及少量沙子相混和的粒狀焦炭，由電阻產(chǎn)生高溫，炭即轉(zhuǎn)變?yōu)槭?/span>
石墨較金剛石活潑，在發(fā)生作用時(shí)也反映出它的層狀秸構(gòu)。以熔化的或氣態(tài)的鉀處理石墨時(shí)，則鉀原子插入層間，使層分開(kāi)并形成有定粗成的物體KC?(銅色)和KC??(鋼藍(lán)色)。在KC?內(nèi)，鉀存在于每層之間;在KC??丙，鉀存在于每隔層之間。用濠硝酸或氯酸鉀這類(lèi)的強(qiáng)氧化劑處理石墨時(shí)，則得稱(chēng)色或棕色，無(wú)傅導(dǎo)性的石墨酸或石墨氧化物，但其中的碳層保持不變，惟層的距離增至 6-11Å。無(wú)疑的，氧和碳有一定的結(jié)合作用，但不形成有定租成的物體。在420°C左右，石墨吸收氟，即失去光深和傅導(dǎo)性，所得產(chǎn)物的成分是相當(dāng)于一氟化碳CF。
3.黑炭
含碳的化合物在隔艷空氣的情況下加熱，碳即從其中分出，一般顯黑色，故稱(chēng)為黑碳，或簡(jiǎn)稱(chēng)炭。黑碳的性質(zhì)因所用原料的種類(lèi)和制備的情形不同而有差別。各種的炭一般皆含有相當(dāng)量的雜質(zhì)。在工業(yè)上較重要的黑碳有焦炭、木炭、骨炭和燈黑。焦炭是干餾煤而得的產(chǎn)物，主要用于冶金工業(yè)上，即從礦石中熔煉出金屬。木材在隔艷空氣的情況下加熱即得木炭，它除用于冶金外，也用于作吸附劑和黑色火藥的原料。骨炭是將脫脂的骨頭在隔艷空氣的容器內(nèi)加熱而制得，它含有7-11%的碳，約80%的磷酸鈣和其他的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。它具有極大的吸附性能，特別是對(duì)有色有機(jī)物的吸附，故常用作各種溶液的去色劑，特別在制糖工業(yè)上用于糖汁的凈化。燈黑是由氣態(tài)的碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵频?，用于制造油墨，但它的最大用途是作橡膠的配料。
這類(lèi)在比較低的溫度分解有機(jī)物質(zhì)而制得的黑碳，在精細(xì)結(jié)構(gòu)方面，與石墨有所不同，不僅它們的晶粒較小，而且碳原子六角形環(huán)所構(gòu)成的層皆作零亂的、不規(guī)則的堆集。
![1,8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯](images/201812/thumb_img/1103_thumb_G_1545291985569.jpg)
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