甲烷CH?是天然煤氣的主要粗分，是最簡單的碳氧化合物。石油是由較重的碳?xì)浠衔锎殖傻摹Ｌ荚卮蠖啻嬖谟诘V物界,主要形式為碳酸鹽，例如石灰石就是碳酸鈣。碳更是生物界必要的成分。沒有一種有機(jī)體在它的重要結(jié)構(gòu)部分不含有碳的化合物。過去認(rèn)為碳的化合物，特別是比較復(fù)雜的碳的化合物，只能在有機(jī)體內(nèi)通過-一種活力才能產(chǎn)生，所以稱這類碳的化合物為有機(jī)化合物。 但自從1828年德國化學(xué)家伍勒(Wohler) 蒸發(fā)氰酸氨(NH?CNO)而得到尿素(CO(NH?)?)以后，在實(shí)驗(yàn)室丙人工制備出來的有機(jī) 化合物天天增 多?，F(xiàn)在已研究過的碳的化合物已超過- 百萬種，遠(yuǎn)多于其他所有元素化合物的總數(shù)(約三萬種)。研究這類碳的化合物的科學(xué)稱為有機(jī)化學(xué)。有機(jī)化學(xué)是化學(xué)內(nèi)的一個極重要的部門。
二、碳的變體和性質(zhì)
在自由狀態(tài)時，碳有三種變體:成等軸晶系結(jié)晶的金剛石、屬于六方晶系的石愚以及通常稱為炭的所部無定形碳。根據(jù)近代的研究，無定形碳還是有定形的，它的精細(xì)結(jié)構(gòu)和石墨一樣，因此，現(xiàn) 在多稱之為黑碗。金剛石為無色，石愚為灰色。 黑磯為黑色。在表14-4內(nèi)列出了碳的三種變體的若干性質(zhì)。
表14-4 碳變體的性質(zhì)
| 性質(zhì) |
金剛石 |
石墨 |
黑碳 |
| 顏色和透明 |
無色，透明 |
灰色，不透明 |
黑色，不透明 |
| 比重 |
3.514 |
2.22 |
1.85（碳黑） |
| 燃燒熱，卡/克 |
7873 |
7856 |
8129 |
碳不論是何形式，總是非常難熔和難揮發(fā)，它不溶于平常溶劑內(nèi)，但溶于熔化的金屬，象鐵、鈷、鎳和鉑金屬內(nèi)，冷時又以石墨的形式分離出來。在平常溫度時，碳的化學(xué)反應(yīng)性非常小，特別是金剛石和石墨。有幾種黑碳稍為加熱即在氧內(nèi)燃燒。在常溫時，木炭也與氟作用。在高溫時，碳與氧、硫、硅、硼和許多金屬化合。碳與金屬及電正性較高的元素化合所形成的化合物稱為碳化物。碳不直接與氯化合，但有氫存在時與氮化合而產(chǎn)生氰化氫。
1.金剛石
在金剛石內(nèi)，每個碳原子以共價鍵與在其周圉排列為四面體的四個其他碳原子相結(jié)合(圖14-1)。C-C的鍵長1.54Å。因此，整個晶體是一個巨大的碳分子。金剛石的非常硬的特性就是由于這樣的結(jié)構(gòu)所致，因?yàn)橐怪屏?，必須折斷這些牢固的共價鍵。金剛石的碳原子的所有的價電子皆完全形成共價鍵而無自由電子，故無導(dǎo)電性。它有很高的折光率，2.42,經(jīng)過磨工以后，稱為鉆石;用作裝飾品，有極高的光亮度，因?yàn)檎丈涞墓獗凰鼛缀跞糠瓷涑鰜怼?/span>
金剛石不受酸和堿的作用，但在氧中加熱到800°C以上則燃燒為二氧化碳。在與空氣隔絕的情況下加熱即轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。碳在高溫時受到極高的壓力時可能結(jié)晶而生成金剛石，但用人工制備金剛石的企圖迄今尚未成功。
2.石墨
在石墨的晶體內(nèi)，碳原子排列成六角形，這些六角形構(gòu)成互相平行的平面(圖14-2)。在每一平面內(nèi)的每一碳原子都和其他三個碳原子以共價鍵相速接，C—C鍵長1.42Å。面與面之間的距離為3.40Å,故不可能有共價鍵的存在。面與面的秸合只能看作是由于較弱的凡得瓦爾力所致。因此，假如金剛石的晶體是一個巨大的三向分子，則石墨晶體秸構(gòu)內(nèi)的每一層是一個巨大的二向碳分子。石墨的密度較金剛石為低，這是因?yàn)閷优c層之間的距離較遠(yuǎn)。因?yàn)槭菍訝罱諛?gòu)，所以它的許多特性是顯方向性的。由于層與層之間的秸合力很弱，各層容易滑動，故石墨可用作潤滑劑。在衹上劃過，它的細(xì)小片狀秸晶就會粘附在紙上而留下灰色的錢痕，故石墨又用于制造鉛筆。與金剛石不同，石墨是電和熱的良導(dǎo)體，因?yàn)樵谒慕諛?gòu)內(nèi)，每個碳原子只與其他三個原子結(jié)合，形成三個共價鍵，故有一個電子比較自由。因此，石墨在電氣工業(yè)上又用來制造電極。石墨耐燒灼，與粘土混合可制成熔融金屬的耐火坩堝，現(xiàn)在石墨可用人工方法制得，即將強(qiáng)交流電通過與樹脂及少量沙子相混和的粒狀焦炭，由電阻產(chǎn)生高溫，炭即轉(zhuǎn)變?yōu)槭?/span>
石墨較金剛石活潑，在發(fā)生作用時也反映出它的層狀秸構(gòu)。以熔化的或氣態(tài)的鉀處理石墨時，則鉀原子插入層間，使層分開并形成有定粗成的物體KC?(銅色)和KC??(鋼藍(lán)色)。在KC?內(nèi)，鉀存在于每層之間;在KC??丙，鉀存在于每隔層之間。用濠硝酸或氯酸鉀這類的強(qiáng)氧化劑處理石墨時，則得稱色或棕色，無傅導(dǎo)性的石墨酸或石墨氧化物，但其中的碳層保持不變，惟層的距離增至 6-11Å。無疑的，氧和碳有一定的結(jié)合作用，但不形成有定租成的物體。在420°C左右，石墨吸收氟，即失去光深和傅導(dǎo)性，所得產(chǎn)物的成分是相當(dāng)于一氟化碳CF。
3.黑炭
含碳的化合物在隔艷空氣的情況下加熱，碳即從其中分出，一般顯黑色，故稱為黑碳，或簡稱炭。黑碳的性質(zhì)因所用原料的種類和制備的情形不同而有差別。各種的炭一般皆含有相當(dāng)量的雜質(zhì)。在工業(yè)上較重要的黑碳有焦炭、木炭、骨炭和燈黑。焦炭是干餾煤而得的產(chǎn)物，主要用于冶金工業(yè)上，即從礦石中熔煉出金屬。木材在隔艷空氣的情況下加熱即得木炭，它除用于冶金外，也用于作吸附劑和黑色火藥的原料。骨炭是將脫脂的骨頭在隔艷空氣的容器內(nèi)加熱而制得，它含有7-11%的碳，約80%的磷酸鈣和其他的無機(jī)鹽類。它具有極大的吸附性能，特別是對有色有機(jī)物的吸附，故常用作各種溶液的去色劑，特別在制糖工業(yè)上用于糖汁的凈化。燈黑是由氣態(tài)的碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵频?，用于制造油墨，但它的最大用途是作橡膠的配料。
這類在比較低的溫度分解有機(jī)物質(zhì)而制得的黑碳，在精細(xì)結(jié)構(gòu)方面，與石墨有所不同，不僅它們的晶粒較小，而且碳原子六角形環(huán)所構(gòu)成的層皆作零亂的、不規(guī)則的堆集。
![1,8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯](images/201812/thumb_img/1103_thumb_G_1545291985569.jpg)
閩ICP備15011996號-4
|
閩公網(wǎng)安備35040002000218號
|
