甲烷CH₄是天然煤气的主要粗分，是最简单的碳氧化合物。石油是由較重的碳氫化合物粗成的。碳元素大多存在于矿物界,主要形式为碳酸盐，例如石灰石就是碳酸鈣。碳更是生物界必要的成分。沒有一种有机体在它的重要結构部分不含有碳的化合物。过去认为碳的化合物，特别是比較复杂的碳的化合物，只能在有机体内通过-一种活力才能产生，所以称这类碳的化合物为有机化合物。 但自从1828年德国化学家伍勒(Wohler) 蒸发氰酸氨(NH₄CNO)而得到尿素(CO(NH₂)₂)以后，在实驗室丙人工制备出来的有机 化合物天天增 多。現在已研究过的碳的化合物已超过- 百万种，远多于其他所有元素化合物的总数(約三万种)。研究这类碳的化合物的科学称为有机化学。有机化学是化学内的一个极重要的部門。
二、碳的变体和性质
在自由状态时，碳有三种变体:成等軸晶系结晶的金刚石、属于六方晶系的石愚以及通常称为炭的所部无定形碳。根据近代的研究，无定形碳还是有定形的，它的精細结构和石墨一样，因此，現 在多称之为黑碗。金刚石为无色，石愚为灰色。 黑磯为黑色。在表14-4内列出了碳的三种变体的若干性质。
表14-4 碳变体的性质
| 性质 |
金刚石 |
石墨 |
黑碳 |
| 颜色和透明 |
无色，透明 |
灰色，不透明 |
黑色，不透明 |
| 比重 |
3.514 |
2.22 |
1.85（碳黑） |
| 燃烧热，卡/克 |
7873 |
7856 |
8129 |
碳不論是何形式，总是非常难熔和难揮发，它不溶于平常溶剂内，但溶于熔化的金属，象铁、鈷、鎳和鉑金屬內，冷时又以石墨的形式分离出来。在平常温度时，碳的化学反应性非常小，特别是金刚石和石墨。有几种黑碳稍为加热即在氧内燃燒。在常溫时，木炭也与氟作用。在高溫时，碳与氧、硫、硅、硼和許多金属化合。碳与金屬及电正性較高的元素化合所形成的化合物称为碳化物。碳不直接与氯化合，但有氫存在时与氮化合而产生氰化氢。
1.金剛石
在金剛石内，每个碳原子以共价键与在其周圉排列为四面体的四个其他碳原子相結合(图14-1)。C-C的键长1.54Å。因此，整个晶体是一个巨大的碳分子。金剛石的非常硬的特性就是由于这样的結构所致，因为要使之破裂，必須折断这些牢固的共价鍵。金剛石的碳原子的所有的价电子皆完全形成共价鍵而无自由电子，故无导电性。它有很高的折光率，2.42,經过磨工以后，称为钻石;用作装饰品，有极高的光亮度，因为照射的光被它几乎全部反射出来。
金刚石不受酸和碱的作用，但在氧中加热到800°C以上則燃燒为二氧化碳。在与空气隔絕的情况下加热即轉变为石墨。碳在高温时受到极高的压力时可能结晶而生成金刚石，但用人工制备金刚石的企图迄今尚未成功。
2.石墨
在石墨的晶体内，碳原子排列成六角形，这些六角形构成互相平行的平面(图14-2)。在每一平面内的每一碳原子都和其他三个碳原子以共价鍵相速接，C—C鍵长1.42Å。面与面之間的距离为3.40Å,故不可能有共价鍵的存在。面与面的秸合只能看作是由于較弱的凡得瓦尔力所致。因此，假如金刚石的晶体是一个巨大的三向分子，則石墨晶体秸构内的每一层是一个巨大的二向碳分子。石墨的密度較金剛石为低，这是因为层与层之間的距离較远。因为石墨是层状秸构，所以它的許多特性是显方向性的。由于层与层之間的秸合力很弱，各层容易滑动，故石墨可用作潤滑剂。在衹上划过，它的細小片状秸晶就会粘附在紙上而留下灰色的钱痕，故石墨又用于制造鉛笔。与金剛石不同，石墨是电和热的良导体，因为在它的秸构内，每个碳原子只与其他三个原子結合，形成三个共价键，故有一个电子比較自由。因此，石墨在电气工业上又用来制造电极。石墨耐燒灼，与粘土混合可制成熔融金屬的耐火坩堝，現在石墨可用人工方法制得，即将强交流电通过与树脂及少量沙子相混和的粒状焦炭，由电阻产生高温，炭即轉变为石墨。
石墨較金刚石活潑，在发生作用时也反映出它的层状秸构。以熔化的或气态的鉀处理石墨时，則鉀原子插入层間，使层分开并形成有定粗成的物体KC₈(铜色)和KC₁₆(鋼藍色)。在KC₈内，鉀存在于每层之间;在KC₁₆丙，鉀存在于每隔层之間。用濠硝酸或氯酸鉀这类的强氧化剂处理石墨时，則得称色或棕色，无傅导性的石墨酸或石墨氧化物，但其中的碳层保持不变，惟层的距离增至 6-11Å。无疑的，氧和碳有一定的结合作用，但不形成有定租成的物体。在420°C左右，石墨吸收氟，即失去光深和傅导性，所得产物的成分是相当于一氟化碳CF。
3.黑炭
含碳的化合物在隔艳空气的情况下加热，碳即从其中分出，一般显黑色，故称为黑碳，或簡称炭。黑碳的性质因所用原料的种类和制备的情形不同而有差别。各种的炭一般皆含有相当量的杂质。在工业上較重要的黑碳有焦炭、木炭、骨炭和灯黑。焦炭是干餾煤而得的产物，主要用于冶金工业上，即从矿石中熔炼出金屬。木材在隔艳空气的情况下加热即得木炭，它除用于冶金外，也用于作吸附剂和黑色火药的原料。骨炭是将脫脂的骨头在隔艳空气的容器内加热而制得，它含有7-11%的碳，約80%的磷酸鈣和其他的无机盐类。它具有极大的吸附性能，特别是对有色有机物的吸附，故常用作各种溶液的去色剂，特别在制糖工业上用于糖汁的净化。灯黑是由气态的碳氫化合物的不完全燃燒而制得，用于制造油墨，但它的最大用途是作橡胶的配料。
这类在比較低的温度分解有机物质而制得的黑碳，在精細結构方面，与石墨有所不同，不仅它們的晶粒較小，而且碳原子六角形环所构成的层皆作零乱的、不規則的堆集。
![1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯](images/201812/thumb_img/1103_thumb_G_1545291985569.jpg)
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