碳的物理化學性質
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。接下來學習啦小編為你整理了碳的物理化學性質，一起來看看吧。
碳的物理性質
同位素
現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屬穩定型，其余的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達5730年，其他的為穩定同位素。 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由于具有較長的半衰期，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子 且碳是有機物的元素之一，生物在生存的時候，由于需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去后會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。
符號
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質子
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中子
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質量(u)
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半衰期
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核自旋
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相對豐度
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相對豐度變化量
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|---|---|---|---|---|---|---|---|
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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
|
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
|
6
|
4
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10.0168532(4)
|
19.290(12) s
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0+
|
||
|
11 C
|
6
|
5
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11.0114336(10)
|
20.334(24) min
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3/2-
|
||
|
12 C
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6
|
6
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12 by definition
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穩定
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0+
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0.9893(8)
|
0.98853-0.99037
|
|
13 C
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6
|
7
|
13.0033548378(10)
|
穩定
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1/2-
|
0.0107(8)
|
0.00963-0.01147
|
|
14 C
|
6
|
8
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14.003241989(4)
|
5.70(3) x 103 years
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0+
|
||
|
15 C
|
6
|
9
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15.0105993(9)
|
2.449(5) s
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1/2+
|
||
|
16 C
|
6
|
10
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16.014701(4)
|
0.747(8) s
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0+
|
||
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17 C
|
6
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11
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17.022586(19)
|
193(5) ms
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(3/2+)
|
||
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18 C
|
6
|
12
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18.02676(3)
|
92(2) ms
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0+
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||
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19 C
|
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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||
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20 C
|
6
|
14
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20.04032(26)
|
16(3) ms [14(+6-5) ms]
|
0+
|
||
|
21 C
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6
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15
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21.04934(54)#
|
<30 ns
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(1/2+)#
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||
|
22 C
|
6
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16
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22.05720(97)#
|
6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms]
|
0+
|
備注：畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括號括起來的代表數據不確定性。
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為是由相同的元素形成的。不驚奇的是，鉆石是最難確認的。來自佛羅倫薩(意大利)的博物學者Giuseppe Averani和醫學工作者Cipriano Targioni首先發現了鉆石是可以被加熱摧
毀的。在1694年他們使用一個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年重復了這個實驗。之后，在1796年，英國化學家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。
金剛石是最為堅固的一種碳結構，其中的碳原子以晶體結構的形式排列，每一個碳原子與另外四個碳原子緊密鍵合，成空間網狀結構，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔沸點高，熔點超過3500℃，相當于某些恒星表面溫度。在金剛石分子中，每一個碳原子都被另外四個碳原子包圍著，這些碳原子以很強的結合力連接在一起，形成了一個巨大的分子，因此金剛石很堅硬。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鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質又有分子晶體的性質。質軟，有滑膩感，具有優良的導電性能。熔沸點高。石墨分子中每一個碳原子只與其他三個碳原子以較強的力結合，形成了一種層狀的結構，而層與層之間的結合力較小，因此石墨可以作為潤滑劑。用途是制作鉛筆，電極，電車纜線等。
足球烯 1985年由美國德克薩斯州羅斯大學的科學家發現。一個C60分子中有60個C原子，構成32個面，20個正六邊形，12個正五邊形。富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂的結構鍵合在一起。(結構如圖d,e,f)屬于分子晶體，熔沸點低，硬度小，絕緣。
藍絲黛爾石(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，石墨與隕石碰撞時產生，具有六邊形圖案的原子排列)
汞黝礦結構(Schwarzite，由于有七邊形的出現，六邊形層被扭曲到“負曲率”鞍形中的假想結構)碳纖維(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，類似于熟知的硅氣凝膠)
碳納米泡沫(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)
石墨烯 是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對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。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。
其他結構 無定形碳(Amorphous，不是真的異形體,內部結構是石墨)
碳的化學性質
單質
在氧氣中燃燒
劇烈放熱，發出刺眼白光，產生無色無味能使氫氧化鈣溶液(澄清石灰水)變渾濁的氣體
化學方程式：
C+O2==點燃==CO2(化合反應)
在空氣中燃燒
放熱，持續紅熱，產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;當燃燒不充分，即氧氣量不足時，產生一氧化碳：
氧氣充足時化學方程式：
C+O2==點燃==CO2(化合反應)
氧氣不足時化學方程式：
2C+O2==點燃==2CO(化合反應)
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性質(但生成物不同)，都可以從金屬氧化物中還原出金屬單質。
碳還原氧化銅：
C+2CuO==高溫==2Cu+CO2↑(置換反應)
碳還原氧化鐵：
3C+2Fe2O3==高溫==4Fe+3CO2↑(置換反應)
碳還原二氧化碳：
C+CO2==高溫==2CO(化合反應)
但是，碳在密封空間與高錳酸鉀共熱，高錳酸鉀會分解出氧氣，碳會迅速氧化，會發生爆炸。
與強氧化性酸反應：
C+2H2SO4(濃)==加熱==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3(濃)==加熱==CO2↑4NO2↑+2H2O
穩定性
碳在“常溫”下具有穩定性，不易反應，故古代名畫現代能保存，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物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫屬化合物、二硫化碳(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化合物。
由于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，現代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、不易溶于水，反應機理復雜，已形成一門獨立的分科——有機化學。
毒理性質
純碳具有極低的對人體的毒性，并可以處理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地攝取。碳可以抵抗溶解或化學侵蝕，例如，即使是面對消化道內的酸性物質。因此它一旦進入人體組織后可能會無期限存留。炭黑可能是最早用來紋身的顏料之一，如冰人奧茲被發現有炭黑紋身，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)粉塵或煙塵是危險的，它們會刺激肺組織，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有危險。
碳對地球上幾乎所有生物都是低毒的，然而對某些生物是有毒的，例如碳納米顆粒對果蠅是致命的。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。
碳的物理化學性質
