Carbon

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碳（Carbon）是一种化学元素；其符号为 C，原子序数为 6。它是非金属且四价——这意味着其原子能够形成多达四个共价键（covalent bonds），因为其价层（valence shell）表现出 4 个电子。它属于元素周期表（periodic table）的第 14 族。^[1] 碳约占地球地壳（Earth's crust）的 0.025%。^[2] 自然界中存在三种同位素（isotopes），其中 ¹²C 和 ¹³C 是稳定的，而 ¹⁴C 是一种放射性核素（radionuclide），半衰期（half-life）为 5,700 年。碳是自古以来就已知的少数元素之一。^[3]

碳是地球地壳中第 15 位最丰富的元素，按质量计是宇宙中第四位最丰富的元素，仅次于氢（hydrogen）、氦（helium）和氧（oxygen）。^[4] 碳的丰度、其独特的有机化合物（organic compounds）多样性，以及在地球常见温度下形成聚合物（polymers）的非凡能力，使其成为所有已知生命的共同元素。按质量计，它是人体中第二位最丰富的元素（约占 18.5%），仅次于氧。^[5]

碳原子可以多种方式结合，导致碳的各种同素异形体（allotropes）。^[6] 著名的同素异形体包括石墨（graphite）、金刚石（diamond）、无定形碳（amorphous carbon）和富勒烯（fullerenes）。碳的物理性质随同素异形体形式的不同而有很大差异。例如，石墨不透明且呈黑色，而金刚石高度透明。石墨足够柔软，可以在纸上留下痕迹（因此其名称源自希腊语动词“γράφειν”，意为“书写”），而金刚石是已知最硬的天然物质。石墨是良好的电导体，而金刚石电导率较低。在正常条件下，金刚石、碳纳米管（carbon nanotubes）和石墨烯（graphene）在所有已知材料中具有最高的热导率（thermal conductivities）。所有碳同素异形体在正常条件下都是固体，其中石墨在标准温度和压力下是热力学最稳定的形式。它们具有化学抗性，即使与氧气反应也需要高温。

碳在无机化合物中最常见的氧化态（oxidation state）是 +4，而在一氧化碳（carbon monoxide）和过渡金属羰基配合物（transition metal carbonyl complexes）中为 +2。无机碳的最大来源是石灰石（limestones）、白云石（dolomites）和二氧化碳（carbon dioxide），但在煤、泥炭、石油和甲烷笼形水合物（methane clathrates）的有机沉积物中也有大量存在。碳形成数量庞大的化合物，约两亿种已被描述和索引；^[7] 然而这个数字仍然只是标准条件下理论可能化合物数量的一小部分。

特性

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固态碳以几种同素异形体存在，包括石墨（一种柔软、黑色且滑腻的材料）和金刚石（最硬的天然物质）。这种物理性质的差异源于原子排列的不同：石墨由六边形排列的碳原子层组成，而金刚石具有刚性三维晶格。

化学上，碳以其与许多元素形成稳定化学键的能力而显著，特别是与其他碳原子结合，并且能够与合适的多价原子形成多个稳定的共价键。碳是绝大多数化学化合物的组成部分，已发表的化学文献中约有两亿种化合物被描述。^[7] 碳还具有所有元素中最高的升华点（sublimation point）。在大气压下，它没有熔点，因为其三相点（triple point）位于 10.8 ± 0.2 GPa 和 4600 ± 300 K，^[9][10] 所以它在约 3900 K 时升华。^[11][12]

与其著名的固体同素异形体相比，碳的液相和气相研究要少得多。在气相中，部分碳以高反应性双原子碳（dicarbon，化学式为 C₂）形式存在。当被激发时，这种气体会发出绿光。^[13][14] 碳的液相是一种黑暗、流动且反光的液体，只能在高于 4000 K 和超过 100 个大气压的压力下存在。^[15]

碳是第六号元素，基态电子构型（ground-state electron configuration）为 1s²2s²2p²，其中四个外层电子是价电子（valence electrons）。它的前四个电离能（ionisation energies）为 1086.5、2352.6、4620.5 和 6222.7 kJ/mol，远高于更重的第 14 族元素。碳的电负性（electronegativity）为 2.5，显著高于更重的第 14 族元素（1.8–1.9），但接近大多数附近的非金属以及一些第二和第三过渡系金属。碳的共价半径（covalent radii）通常为 77.2 pm（C−C）、66.7 pm（C=C）和 60.3 pm（C≡C），尽管这些值可能随配位数（coordination number）和碳所键合的对象而变化。一般来说，共价半径随配位数降低和键级（bond order）增加而减小。

化学

在标准条件下，石墨比金刚石更具反应性，尽管它热力学更稳定，因为其离域 π 系统更容易受到攻击。^[16] 例如，石墨可以在标准条件下被热浓硝酸氧化成苯六甲酸（mellitic acid），C₆(CO₂H)₆，它保持了石墨的六边形单元同时破坏了更大的结构。

碳基化合物构成了地球上所有已知生命的基础，碳-氮-氧循环（carbon-nitrogen-oxygen cycle）提供了太阳产生的一小部分能量，以及更大恒星（例如天狼星）中的大部分能量。尽管它形成种类繁多的化合物，但在正常条件下，大多数形式的碳相对惰性。在标准温度和压力下，它能抵抗除最强氧化剂外的所有物质。它不与硫酸、盐酸、氯或任何碱反应。在高温下，碳与氧气反应形成碳氧化物，并会从金属氧化物中夺取氧，留下单质金属。这种放热反应用于钢铁工业中冶炼铁和控制钢中的碳含量：

+ 4 C(s) + 2 → 3 Fe(s) + 4 (g)。

碳与硫反应形成二硫化碳（carbon disulfide），并在煤气化中使用的煤气反应中与水蒸气反应：^[17][18]

C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g)。

碳在高温下与一些金属结合形成金属碳化物（metallic carbides），例如钢中的碳化铁（铁渗碳体，cementite）和碳化钨（tungsten carbide），w