炭元素(炭元素是什么)

碳,化学符号C的非金属元素,常温下稳定,不易反应,对人体毒性极低。它甚至可以以石墨或活性炭的形式被安全地摄取。它位于元素周期表的第二周期IVA族。

碳是一种非常常见的元素,以各种形式广泛存在于大气、地壳和生物体内。拉丁文Carbonium,意为“煤、木炭”。单质碳早就被认识和利用,碳-有机物的一系列化合物是生命的基础。它是碳生铁、熟铁和钢的成分之一。碳可以自身化学结合形成大量化合物,这些化合物是生物学和商业上重要的分子。生物体中的大多数分子都含有碳。

发现历史

碳的英文名来源于煤和木炭的拉丁名carbo,也来源于法语charbon,意为木炭。在德国、荷兰和丹麦,碳的名字是Kohlenstoff、koolstof和kulstof,字面意思是煤。

碳在史前时代就已经被发现了。炭黑和煤是人类最早使用的碳。大约在公元前2500年,钻石在中国广为人知,煤在罗马时代以与现代相同的化学方式作为碳的一种形式使用:空气体通过在锥形建筑中加热覆盖有粘土的木材来去除。1722年,René Antoine Ferchault de Réaumur证明了铁可以通过吸收一些物质而变成钢,这些物质就是碳。1772年,安东尼·拉瓦锡证明了钻石是碳的一种形式。当他燃烧一些钻石和煤的样品时,他发现它们不产生水,每克钻石和煤产生的二氧化碳量是一样的。1779年,卡尔·威廉·舍勒(karl william scheele)表明,曾经被认为是铅的存在形式的石墨,实际上是碳与少量铁混合的混合物,他给出了这种气体被硝酸氧化时的产物名称空酸(& # 34;空气酸& # 34;),也就是二氧化碳。1786年,法国化学家克劳德·路易斯·贝托莱、加斯帕尔·蒙日和C. A .范德蒙用拉瓦锡处理钻石氧化石墨,证明石墨几乎完全由碳组成。

存在分布

矿床形式

碳以游离元素(金刚石、石墨等)的形式存在。)和化合物(主要是钙、镁和其他正电性元素的碳酸盐)。它以二氧化碳的形式存在,这是大气中一种很小但极其重要的成分。预计地壳岩石中碳的总丰度变化很大,但典型值为180ppm。这种元素在丰度上排在第17位,在钡、锶和硫之后,在锆、钒、氯和铬之前。石墨在世界各地分布广泛,但大部分几乎没有价值。大量晶体或薄片存在于变性沉积硅酸盐岩石中,如应时、云母、片岩和片麻岩;晶体大小从小于1毫米到6毫米(平均4毫米)不等。它沉积了一个扁豆矿体,厚达30米,横跨田野,绵延数公里。平均含碳量为25%,但高达60% (Margash)。选矿就是用氢氟酸和盐酸进行浮选,然后在true 空中加热到1500℃。微晶石墨(有时称为“无定形体”)存在于富碳的变性沉淀物中,一些墨西哥沉积物含碳高达95%。

钻石来自古火山的桶状火成岩砾岩(火山桶),镶嵌在一种柔软的、深碱性的岩石中,被称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”。1870年,这样的火山桶在南非的吉姆伯里被首次发现。随着地质年代的变化,火山锥的风化和腐蚀作用,在冲刷过的砾石和海滩中也能发现钻石。金刚石晶体形成的原始模式目前仍是一个活跃的研究课题。在一个典型的装有钻石的火山桶中,钻石的含量极低,数量级为五百万分之一。矿物必须通过机械方法如压碎和淘洗来分离,并通过涂有药膏的带子,钻石会粘在上面。这在一定程度上解释了宝石级钻石价格极高的原因。

另外三种形式的碳被大规模生产并广泛应用于工业:它们是焦炭、炭黑和活性炭。

物理性质

同位素

现代已知的同位素有十五种,包括碳8到碳22,其中碳12和碳13是稳定的,其余的是放射性的,其中碳14的半衰期为5730年,其余的是不稳定同位素。在地球的自然界中,碳12占全部碳的98.93%,碳13占1.07%。C的原子量是碳12和13同位素丰度的加权平均值,一般为12.01。碳12是国际单位制中定义的摩尔标度,12克碳12所含的原子数是1摩尔。由于碳14半衰期长,衰变方式为β衰变,碳14原子转化为氮原子,碳是有机物的元素之一。当生物需要呼吸时,其体内的碳14含量大致不变,当生物死亡时,会停止呼吸,此时其体内的碳14开始减少。人们可以通过倾斜一件古董的碳14含量来估计它的大概年代。这种方法被称为碳年代测定法。

标志

质子

中子

质量(u)

半衰期

原子核自旋

元素丰度

相对丰度变化

8C

2

8.037675(25)

2.0(4) x 10-21s

燃烧空气体

放热,持续发热,产生无色无味的气体CO2会使氢氧化钙溶液(澄清石灰水)浑浊;当燃烧不充分时,即氧气量不足时,会产生一氧化碳:

氧气充足时的化学方程式:

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氧气不足时的化学方程式:

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作为还原剂

作为还原剂,碳具有与氢和一氧化碳相似的化学性质(但产物不同),可以从金属氧化物中还原单质金属。

氧化铜的碳还原:

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被碳还原的氧化铁:

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二氧化碳的碳还原:

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但在密封的空中用高锰酸钾加热碳,高锰酸钾会分解氧气,碳会迅速氧化,发生爆炸。

与强氧化性酸反应:

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稳定性

碳在室温下是稳定的,很难发生反应。

复合的

在碳化合物中,只有以下化合物属于无机物:碳氧化物、碳化物、碳硫族化物、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰基以及一系列的假卤素、假卤素和假卤素,如氰[(CN)2]、氧氰化物[(OCN)2]、硫氰酸盐[(SCN)2]、。

由于碳原子形成的键是相对稳定的,有机化合物中碳的数量和排列、取代基的种类和位置都具有高度的随机性,这就导致了有机化合物数量特别多的现象。现代人类发现的有机化合物占绝大多数。有机物的性质与无机物非常不同。它们一般易燃,不溶于水,反应机理复杂。他们已经形成了一个独立的分支——有机化学。

毒理学特性

纯碳对人体的毒性极低,可以石墨或活性炭的形式处理,甚至安全摄入。例如,碳可以抵抗溶解或化学攻击,即使面对消化道中的酸性物质。所以一旦进入人体组织,可能会无限期存留。炭黑可能是最早用于纹身的颜料之一。例如,冰人奥兹被发现有炭黑纹身,这种纹身从他生命之初就存在,直到他死后5200年。但吸入大量的煤(或炭黑)粉尘或煤烟是很危险的,会刺激肺组织,引起煤工尘肺伴充血性肺病。同样,如果误食或吸入钻石研磨粉也会有危险。

碳对地球上几乎所有的生物都是低毒的,但对某些生物是有毒的,比如碳纳米颗粒对果蝇是致命的。碳化合物有很多种,从河豚毒素、从蓖麻籽中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等致命毒素,到葡萄糖和蛋白质等必需物种。

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