碳——定义、特性、发生率、应用
碳是一种化学元素，符号为C，原子序数为6。它是非金属的四价化合物，这意味着它可以与四个电子形成共价化学键。它在元素周期表的第 14 组。碳仅占地壳的 0.025% 左右。碳是地壳中第 15 丰富的元素，按质量计算，是宇宙中第四丰富的元素，仅次于氢、氦和氧。碳的丰富性、有机化合物的独特多样性以及在普通地球温度下形成聚合物的非凡能力使其成为所有已知生命的共同元素。按质量计，它是人体中含量第二高的元素（约 18.5%），仅次于氧。
碳的性质
下面列出了碳元素的一些重要性质：
- 碳产生四个电子以形成共价键。
- 它以多种同素异形体和其他形式存在。金刚石和石墨是两种具有不同特性的材料。
- 在正常情况下，碳是极其惰性的。
- 这种化学元素用符号 C 表示。
- 它的原子序数为 6，因为它的原子核中有 6 个质子。
- 碳是非金属的，也是四价的。
- 它有多种形状。
- 化学元素可以与其他元素形成键。
碳的应用
- 它是具有众多应用程序的免费元素。其中包括使用钻石或黑色颜料来装饰汽车轮辋或打印机墨水。
- 石墨是另一种碳，已用于高温坩埚、弧光灯电极、干电池和铅笔尖。
- 碳的另一种无定形状态是植物碳，用作漂白剂和气体吸收剂。
- 他们使用二氧化碳和灭火器来碳酸饮料。
- 固体形式的碳被称为干冰。
- 一氧化碳也可用于各种冶金过程的还原。
- 二硫化碳和四氯化碳是工业溶剂中两个值得注意的夹杂物。
碳的物理和生物作用
碳在基于重量的元素丰度顺序中排名第 19 位。据估计，宇宙中的碳原子至少是硅原子的 3.5 倍。除了碳，宇宙中只有氦、氧、氢、氮和氖自然丰富。当氦燃烧时，宇宙产物是碳。在这个过程中，三个原子量为 4 的氦原子核融合在一起，产生一个原子量为 12 的碳原子核。
元素碳是地壳中的微量补充。碳以煤和有机化合物的形式广泛分布。它们由天然气、石油以及植物和动物组织组成。碳是光合作用过程的重要组成部分。它是一种自然的化学反应序列，涉及碳循环转化为大气中的二氧化碳和碳水化合物。
碳的产生
自由状态
After hydrogen, helium, and oxygen, carbon is the fourth most abundant chemical element in the observable universe by mass. Carbon is abundant in the sun, stars, comets, and most planets’ atmospheres. Some meteorites contain microscopic diamonds that formed when the solar system was still in the form of a protoplanetary disc.
绝大多数碳酸盐岩体都含有碳（石灰石、白云石、大理石等）。煤炭是最丰富的矿物碳商业来源，碳含量非常丰富（无烟煤含有 92-98%）。大多数钻石矿床位于非洲。现在正在从好望角海岸的海底开采钻石。钻石是天然发现的，但现在美国使用的所有工业钻石中约有 30% 是制造出来的。
组合状态
Carbon can be found in the Earth’s atmosphere and is dissolved in all bodies of water. Carbon can also be found in hydrocarbons (such as coal, petroleum, and natural gas). Coal reserves are estimated to be around 900 gigatons. Carbon can also be found in methane hydrates found in the polar regions and beneath the seas.
它也可以在大气中以二氧化碳的形式存在，碳氢化合物以天然气和石油的形式存在，木材中的纤维素和石灰石的组合状态。碳酸钙和碳酸镁等碳化合物有助于形成白云石、菱镁矿、石灰石和大理石等常见矿物。此外，蛤蜊、牡蛎和珊瑚的贝壳是碳酸钙。
示例问题
问题一：碳的成分是什么？
回答：
Six neutrons and six protons make up carbon. It is a chemical element known for its ability to create patterns.
问题二：从分子形成的角度定义碳
回答：
Carbon can form polymers, which are resilient, long chains of carbon linked with the same chemical element. Because of electron management, it can form bonds with four different atoms. A cloud of electrons surrounds the nucleus in which the atoms are arranged.
问题3：为什么石墨可以导电，而钻石却不能？
回答：
In the case of diamond, each carbon atom in a single crystal is covalently bound to four other carbon atoms, forming the four corners of a regular tetrahedron. There are no free electrons available due to the four covalent bonds with each carbon atom. Diamond is a poor conductor of electricity due to the lack of free electrons within its crystalline structure.
Every carbon atom in a single crystal of graphite is covalently bonded to three other carbon atoms. Due to the fact that each carbon atom has four valence electrons, one valence electron is left free for each carbon atom. By applying electric potential, these free electrons can be easily made to flow within the crystalline structure of graphite. As a result, graphite is an excellent electrical conductor.
问题4：碳化合物的物理性质是什么？
回答：
The physical properties of carbon compounds are as follows:
- Since they have covalent bonds between their atoms, they do not form ions. As a result, they are poor conductors of electrical current.
- These substances have low melting and boiling points.
- They are insoluble in water but soluble in organic solvents such as ether, carbon tetrachloride, and others.