中文名：碳

外文名：Carbon

CAS登录号：7440-44-0

EINECS登录号：231-153-3

熔点：3500℃

沸点：4827℃

水溶性：不溶于水

密度：1.8g/cm³

外观：黑色粉状或颗粒状多孔结晶。

闪点：>230°F

应用：用于脱硫、净化水、净化空气、回收溶剂、吸附、催化剂

安全性描述：S22；S24/25

危险性符号：F；Xn；Xi

危险性描述：R36/37

UN危险货物编号：1325

元素符号：C

原子序数：6

元素类别：非金属元素

原子量：12.011

周期：第二周期

族：IVA族

区：p区

电子排布：2s2p

电负性：2.55（鲍林标度）

碳的英文名称carbon来源于拉丁文中煤和木炭的名称carbo，也来源于法语中的charbon，意思是木炭。 在德国、荷兰和丹麦，碳的名字分别是Kohlenstoff、koolstof、kulstof，字面意思是煤物质。

碳在史前就已被发现，炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知 ，同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样：通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。 在1722年，René Antoine Ferchault de Réaumur证明铁通过吸收一些物质能变成钢，这种物质就是熟知的碳。 在1772年，安东尼·拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式，当他将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。在1779年，卡尔·威廉·舍勒表明一度被认为是铅的存在形式的石墨实质上是混杂了少量铁的碳的混合物 ，并且他给了当用硝酸氧化时，产物的名字空气中的酸（"aerial acid"），即二氧化碳。 在1786年，法国化学家Claude Louis BERThollet，Gaspard Monge 和 C. A. Vandermonde通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。 1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。

矿藏形式

碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大，但典型的数值可取180ppm；按丰度顺序，这个元素位于第17位，在钡、锶、硫之后，锆、钒、氯、铬之前。 石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩；晶体大小从不足1mm到6mm左右（平均4mm）。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%（马尔加什）。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨（有时称为“无定形体”）存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。

金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩（火山筒），它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。 随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。

三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业：它们是焦炭、炭黑和活性炭。

自然界中的循环

碳循环的模式图

恒星中的形成

3氦过程概貌

⁴He+⁴He→⁸Be （−93.7 keV）

⁸Be+⁴He→¹²C （+7.367 MeV）

反应过程的净能量释放为1.166pJ。

另一个为恒星供能的融合机制是CNO循环（碳-氮-氧循环，有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环，是恒星将氢转换成氦的两种过程之一，另一种过程是质子-质子链反应），其中碳作为催化剂使得反应能够进行。

现代已知的同位素共有十五种，有碳8至碳22，其中碳12和碳13属稳定型，其余的均带放射性，当中碳14的半衰期长达5730年，其他的为不稳定同位素。 在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。碳14由于具有较长的半衰期，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。

备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

碳的同素异形体主要分为晶形碳、无定形碳、过渡碳等3大类，不同形态的碳单质物理性质不相同 。

晶形碳

晶形碳主要有石墨、金刚石、富勒烯、石墨烯、碳纳米管等。其中金刚石具有典型的共价晶体特性，即高的硬度、高的熔点和低的等电性和低的导热性；石墨烯具有超薄且有弹性的机械性能、比金刚石好约2倍的导电性能以及超越其他材料的导热性能 。

无定形碳

无定形碳包括木炭、活性炭、碳纤维等。其中活性炭是一种具有特殊微晶结构、发达孔隙结构、巨大比表面积和较强吸附能力的同素异形体。其化学稳定性好，具有耐酸、耐碱、耐高温等特点，活性炭不溶于水和有机溶剂，既可在气相中使用，也可以在液相中使用。可以通过对活性炭进行酸碱处理改变活性炭的性质，得到的活性炭又称改性活性炭 。碳纤维是一种含碳量在95%以上的碳的同素异形体，既有碳材料的质轻、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、高强度、高模量等固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性 。

过渡碳

过渡碳为无定形碳过渡到晶形碳的过程中产生的中间产物，兼具了无定形碳和晶形碳的一些特点，表现出乱层石墨结构的特征，在微观上呈现出二维有序而三维无序的特点 。

过渡碳主要是热解炭黑。其中热解炭黑根据微观结构的不同可大致分为各向异性和各向同性两大类：各向同性热解炭结构均匀致密，抗氧化性能好；各向异性热解炭结构致密、晶粒尺寸小、性能结构均一，与传统炭质材料相比，在强度、耐磨、润滑、密封等性能方面表现更加优良 。

碳的杂化轨道理论碳原子的基态电子构型为1s²2s²2p²，根据该构型，碳的价态应该表现为2价，但在大量有机分子中碳的价态是4价，这是因为在外界干扰下，若干能量相近的原子轨道可以组合成同样数目的、能量完全相同的新的原子轨道，这种新的轨道就称为杂化轨道。这就解释了多原子分子的空间构型和用普通价键理论所不能解释的某些共价分子的形成方式。并且，碳原子除能够采取 sp，sp²，sp³等多种轨道杂化形式以外，还可以形成某些中间过渡状态的杂化态，从而使碳有不同的过渡态结构存在，又因为物质结构决定性质，这些不同过渡态结构的碳的性质也会不同 。

单质

在氧气中燃烧

剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体

化学方程式：

在空气中燃烧

放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体CO₂；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳：

氧气充足时化学方程式：

氧气不足时化学方程式：

作为还原剂

碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。

碳还原氧化铜：

碳还原氧化铁：

碳还原二氧化碳：

但是，碳在密封空间与高锰酸钾共热，高锰酸钾会分解出氧气，碳会迅速氧化，会发生爆炸。

与强氧化性酸反应：

稳定性

碳在常温下具有稳定性，不易反应。

化合物

碳的化合物中，只有以下化合物属于无机物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫属化合物、二硫化碳(CS₂)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰及一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐，如氰、氧氰，硫氰，其它含碳化合物都是有机化合物。

由于碳原子形成的键都比较稳定，有机化合物中碳的个数、排列以及取代基的种类、位置都具有高度的随意性，因此造成了有机物数量极其繁多这一现象，现代人类发现的化合物中有机物占绝大多数。有机物的性质与无机物大不相同，它们一般可燃、不易溶于水，反应机理复杂，已形成一门独立的分科——有机化学。

纯碳具有极低的对人体的毒性，并可以处理，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取。碳可以抵抗溶解或化学侵蚀，例如，即使是面对消化道内的酸性物质。因此它一旦进入人体组织后可能会无期限存留。炭黑可能是最早用来纹身的颜料之一，如冰人奥兹被发现有炭黑纹身，这些纹身从他存活开始一直到他死后5200年后都一直存在。 然而，吸入大量煤炭（或炭黑）粉尘或烟尘是危险的，它们会刺激肺组织，并引起充血性肺病煤工尘肺。相似的，金刚石磨粉被误食或吸入也会有危险。

碳对地球上几乎所有生物都是低毒的，然而对某些生物是有毒的，例如碳纳米颗粒对果蝇是致命的。 碳化合物种类繁多，既有致命毒素如河豚毒素、从蓖麻种子中提取的蓖麻毒素、氰化物和一氧化碳等，也有生命必需物种如葡萄糖、蛋白质。

不同碳单质只制备方式不同，以下介绍两类常见的碳单质制备方法，其他类型的碳单质详见相应词条。

金刚石

2005年全球钻石产量

石墨

有商业价值的石墨沉积在世界各地都有，但最重要的经济来源是在中国、印度、巴西和朝鲜。在BorrowDAle , Cumberland , England的石墨沉积是首先达到了足够的大小和纯度，在19世纪前，铅笔通过简单地用木条将天然石墨锯条包裹而成。二十一世纪后，小的石墨沉积通过粉碎母岩并使轻质的石墨浮出水面获得。

碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，没有它，生命不可能存在。

除食物和木材以外的碳的主要经济利用是烃（最明显的是石油和天然气）的形式。原油由石化行业在炼油厂通过分馏过程来生产其他商品，包括汽油和煤油。

纤维素是一种天然的含碳的聚合物，从棉、麻、亚麻等植物中获取。纤维素在植物中的主要作用的维持植物本身的结构。来源于动物的具有商业价值的聚合物包括羊毛、羊绒、丝绸等都是碳的聚合物，通常还包括规则排列在聚合物主链的氮原子和氧原子。

碳及其化合物多种多样。碳还能与铁形成合金，最常见的是碳素钢；石墨和黏土混合可以制用于书写和绘画的铅笔芯，石墨还能作为润滑剂和颜料，作为玻璃制造的成型材料，用于电极和电镀、电铸，电动马达的电刷，也是核反应堆中的中子减速材料；焦炭可以用于烧烤、绘图材料和炼铁工业；宝石级金刚石可作为首饰，工业用金刚石用于钻孔、切割和抛光，以及加工石头和金属的工具。