碳及其化合物的性质

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1、14．2碳及其化合物14.2.1　碳单质1．碳的同素异性体　金刚石和石墨　　自然界有金刚石矿和石墨矿，我国的山东和辽宁也有集中的矿藏。　　平常所说的无定形碳，如木炭、焦炭、炭黑等实际上都具有石墨结构。用特殊方法制备的多孔性炭黑有较大的吸附能力，称之为活性炭，可用于脱色和选择性分离中，也可用作催化剂的载体等。　石墨迁入化合物　　由于石墨的片层之间是以较弱的分子间力结合的，因而片层间结合松，许多体积较小的分子、原子、离子能渗入层间形成石墨化合物（包括插入化合物，间充化合物），其结果：　　①石墨膨胀（

2、增加层间距离）；②化合物为非整比；③增加导电性（导体）或失去导电性（非导体）　　导体（离子型）：结构特点是片层和电子体系不变，顺磁性。（1）石墨吸收碱金属原子生成的化合物，颜色取决于被金属原子所占据的层数。（2）Cl2、Br2、金属卤化物，氧化物（MOO3），硫化物（FeS2）等都可渗入碳碳层之间，且生成的化合物的导电性大大增强，导电机理是片层中电子从石墨传给扦入物，在片层中留下“空穴”而使片层也带电。　　非导体（共价型）　　氟和氧（浓H2SO4，浓HNO3，KMnO4）与石墨形成的化合物，这些

3、化合物中石墨层内的电子体系遭到破坏（C，sp3）碳的4个电子全部用于成键，杂化状态，sp2→sp3，碳原子也可能不共面了，但是连续的，所以化合物不导电。　足球烯（富勒烯）欧拉方程：面数(F)+顶点数(V)＝棱数(E)+2　　根据欧拉定理，通过12个五边形和数个六边形的连接可以形成封闭的多面体结构：C60为第一个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，其形状酷似足球，故称为球烯。亦称为富勒烯（建筑学家BuckminsterFuller）或布基球。C70为第二个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，两个五边形相邻

4、的最小碳笼为C50，三个五边形相邻的最小碳笼为C28，不存在六边形的最小碳笼为C20。　　科学家认为C60将是21世纪的重要材料。（1）C60分子具有球形的芳香性，可以合成C60Fn，作为超级润滑剂；（2）C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子，（C＋M→C60M→C48M→C36M→C24M→C8M→Cx-M+）作为新型催化剂或催化剂载体，具有超导性，掺K的C60，Tc=18K，Rb3C60　Tc=29K，它们是三维超导体；（3）C60晶体有金属光泽，其微晶体粉末呈黄色，易溶于苯，其苯溶液

5、呈紫红色。C60分子特别稳定，进行化学反应时，C60始终是一个整体。　　1991年日本SumioIijima用电弧放电法制备C60得到的碳炱中发现管状的碳管碳的壁为类石墨二维结构，基本上由六元并环构成,按管壁上的碳碳键与管轴的几何关系可分为“扶手椅管”、“锯齿状管”和“螺管”三大类，按管口是否封闭可分为“封口管”和“开口管”，按管壁层数可分为单层管（SWNT）和多层管（MWNT）。管碳的长度通常只达到纳米级（1nm＝10-9m）2．碳的还原性　　冶金工业上，用碳还原金属氧化物制备金属，如：　　　

6、　　　　　MgO+CMg+CO　　(2000K)　　碳的氧化还原，涉及到以下三个反应：　　　　　　　　把这三个反应的对温度T作图　　　　　　14.2.2　碳的氧化物　　碳的氧化物有CO、CO2、C3O2、C4O3、C5O2、C12O9等1．一氧化碳CO（无色无臭有毒气体，在水中溶解度较小）　　　　结构：CO分子有10个价电子，与N2是等电子，故MO相同　　　　　　　　CO分子中O的电负性大于C，故一对电子偏向氧原子，但由于O原子反过来又向C原子提供一对电子，形成配键，这样总的效果使各自的电子云不

7、会发生太大的偏移。事实上，CO偶极矩接近于零，碳原子略带负电荷。　　　本来C原子的电负性比O、N都要小，加之电子云密度有所增强，这样使得C原子比较容易向其它有空轨道的原子提供电子时或参加其它反应，（CO分子键能比N2大，但比N2活泼，配位能力更强）　　主要化学性质　　（1）是很好的配体　　　　①与过渡元素形成羰基化合物　　　　　　如Fe(CO)5，Mn(CO)10，Ni(CO)4，Cr(CO)6。这是一大类化合物　　　　②与血液中携带O2的血红蛋白（Hb）形成稳定的配合物，使人在不知不觉地中毒死

8、亡，空气中1/800的CO可能在半小时内使人死亡　　　　③工业上消去CO的方法　　　　　　　　（2）CO的还原性　　　　　由于CO中C上电子密度增大，故C的一对弧电子易参与成键而体现还原性　　　　①CO＋Cl2COCl2(碳酰氯，光气)　　　　　　　　　　　　　　　⑤用于合成有机化合物　　　　　　　2．二氧化碳CO2　　　　性质及用途　　　14.2.3　碳酸及碳酸盐　　　　　　　H2CO3：C原子采用sp2杂化，与端O之间形成1个正常σ键和1个正常π键；羟基O原子采用sp3杂化，与C原子形成sp