碳元素

引入

碳元素容易被低估，因为它既不是空气中含量最高的元素，也不是地壳中最丰富的元素。

但如果从生命、燃料、材料和有机化学来看，碳反而是最需要单独整理的元素之一。它可以形成稳定的共价键，也可以和自己不断连接，形成链状、环状、网状结构。

为什么生命物质以碳为骨架，而不是随便换成别的元素？

为什么同样是碳，金刚石和石墨的性质差异这么大？

正文

物质名称	性质	类别	颜色	物态	密度	熔点	沸点	常见氧化态
碳 $\mathrm{C}$	能形成稳定共价键，有多种同素异形体	非金属	取决于同素异形体	固体	-	高	高	−4、0、+2、+4

原子结构和成键特点

碳原子最外层有 4 个电子，既不容易完全失去 4 个电子，也不容易完全得到 4 个电子，所以它主要通过共价键形成稳定结构。

碳元素的关键能力是：

能力	含义	结果
四价性	一个碳原子可以形成 4 个共价键	能形成复杂分子骨架
自连性	碳原子之间能形成稳定的 $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ 键	能形成长链、支链和环状结构
多键能力	可形成单键、双键、三键	有机物结构和性质差异很大

同素异形体

同素异形体是理解碳元素的入口。同样是碳原子，因为排列方式不同，物理性质会出现很大差异。

名称	结构特点	主要性质	应用
金刚石	空间网状结构，每个碳原子与 4 个碳原子成键	硬度大，不导电	切割工具、钻头、饰品
石墨	层状结构，层内成键强，层间作用弱	质软，能导电	铅笔芯、电极、润滑材料
足球烯 $\mathrm{C}{}_{60}$	类球形分子	分子结构特殊	材料研究
石墨烯	单层碳原子二维结构	强度高，导电性好	新材料研究

常见化合物

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	说明
二氧化碳 $\mathrm{CO}{}_2$	酸性氧化物，不支持燃烧	氧化物	无味	无色	气体	能使澄清石灰水变浑浊
一氧化碳 $\mathrm{CO}$	还原性，有毒	氧化物	无味	无色	气体	能和血红蛋白结合导致缺氧
碳酸钙 $\mathrm{CaCO}{}_3$	难溶于水，可与酸反应	碳酸盐	无味	白色	固体	石灰石、大理石主要成分
甲烷 $\mathrm{CH}{}_4$	可燃	有机物	无味	无色	气体	天然气主要成分

化学性质

碳单质在常温下比较稳定，但在高温下可以和氧气、金属氧化物等发生反应。这里要区分两个角色：碳可以被氧化，也可以作为还原剂去夺取氧。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
碳充分燃烧	燃烧反应	$\mathrm{C}+\mathrm{O}{}_2=\mathrm{CO}{}_2$	发光放热	燃料燃烧
碳不充分燃烧	氧化还原反应	$2\mathrm{C}+\mathrm{O}{}_2=2\mathrm{CO}$	发光放热，生成有毒气体	解释煤气中毒风险
碳还原氧化铜	氧化还原反应	$\mathrm{C}+2\mathrm{CuO}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}2\mathrm{Cu}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow$	黑色固体变红，生成使石灰水变浑浊的气体	说明碳有还原性
二氧化碳与石灰水反应	复分解反应	$\mathrm{CO}{}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2=\mathrm{CaCO}{}_3\downarrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	澄清石灰水变浑浊	检验 $\mathrm{CO}{}_2$

引出

有机化学为什么可以看作“碳骨架的化学”？

碳循环如何连接燃烧、呼吸、光合作用和地质过程？