碳化合物

碳是一种高活性的元素。它能与各种其他元素形成大量的化合物。'碳'一词源自拉丁语'carbo'，意为木炭。碳是宇宙中第四丰富的元素。在我们的身体里，它是仅次于氧的第二丰富的元素。事实上，世界上所有的有机物质都以一种或多种形式含有碳。这就是为什么碳是整个有机化学的基础。

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第14族，符号为C。它的原子序数是6，因此它有6个质子、6个电子和6个中子。碳可以以多种方式和程度轻松地与其他碳原子结合。它体积也很小，因此很容易形成大分子。碳主要存在于煤矿中。

含碳化合物的数量超过了其他元素的化合物。含有碳的化合物称为碳化合物。碳形成的最常见化合物是甲烷（CH₄）。这些含有碳和氢的化合物称为碳氢化合物。碳氢化合物的分子式可以通过计算满足碳原子价键所需的氢原子数量来确定。例如，在乙烷的一个分子中，有两个碳原子，每个碳原子需要6个氢原子（每个碳原子3个）来满足其价键。因此，乙烷的分子式是C₂H₆。

碳的性质

• 碳最重要的特征是成链性，指的是它形成长碳链和碳环的能力。
• 碳原子还具有形成π-π键的独特能力，即碳与其他碳原子或氧、氮等其他电负性原子形成的双键或三键。

上述碳的两个性质（成链性和多重键形成）使其具有如下的同素异形体；

什么是同素异形？

同素异形是指一种元素能够以多种形式存在的性质，每种形式在物理上都与其他形式不同，或者所有形式都具有不同的物理性质（结构、形状、颜色等），但具有相同的化学性质。

元素存在的不同形式称为同素异形体。例如，碳也以不同的同素异形形式存在，其中一些如下；

i）碳的晶体同素异形体：以晶体形式存在的碳的同素异形体有金刚石、石墨和富勒烯等。它们具有不同的物理结构和性质，但具有相同的化学性质。

ii）微晶形式（无定形形式）：在这种形式下，碳的同素异形体有煤、炭黑和木炭。

碳化合物的类型

碳化合物中碳原子之间的键可以是单键、双键或三键。根据碳原子之间的键数，它们可分为两大类：饱和碳化合物和不饱和碳化合物。

i）饱和碳化合物

在这些碳化合物中，碳原子之间通过单键结合。饱和碳化合物最常见的例子是烷烃，例如乙烷（C₂H₆），它是一种饱和碳化合物，如下图所示；

ii）不饱和碳化合物

在这些碳化合物中，碳链或碳环中的碳原子通过双键或三键连接。不饱和碳化合物的例子是烯烃和炔烃。烯烃中的碳原子是双键，而炔烃中的碳原子是三键。例如，乙烯（C₂H₄）属于烯烃家族，因此碳原子之间存在双键。而乙炔（C₂H₂）属于炔烃家族，碳原子之间存在三键。

碳化合物的来源

碳是最普遍的元素之一。它占宇宙质量的约0.5%。甚至太阳系也是由富含碳的物质组成的。然而，它仅占地壳质量的0.025%，其中大部分以碳酸钙和石灰石等岩石和矿物质的形式存在。但是，在生物体中，碳的浓度更高，约占人体组织中所有原子的四分之一。

碳化合物主要有三种不同的类型，如下所述；

i）直链

在这种碳化合物的排列中，碳原子与其他碳原子结合形成一条直链，而不形成任何支链。例如，乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）。

ii）支链

在这种排列中，碳化合物中的一个碳原子与两个以上的碳原子结合。分子量较高的碳化合物通常呈支链形式。例如，异戊烷（C₅H₁₂）如下图所示；

iii）环

在这种排列中，碳原子以形成闭合环的方式结合在一起。因此，这些碳化合物也称为环状化合物。例如，环己烷（C₆H₁₂）如下图所示；

碳化合物的成键

碳原子与其他原子形成的键始终是共价键，其中电子在参与成键的原子之间共享。碳不形成离子键。这是因为它有四个价电子，所以它不容易失去所有四个电子或获得四个电子来实现稳定的电子构型。因此，它只与那些愿意共享电子的元素的原子形成键，例如碳。

例如，甲烷（CH₄）的形成

一个碳原子与四个不同的氢原子形成键。碳含有4个价电子，氢含有1个价电子。因此，碳需要四个氢原子来共享其所有四个电子，因为它的一个电子将只与一个氢原子中的一个电子共享。因此，碳和氢之间将有一个共价键，总共一个甲烷分子中将有四个共价键。

碳化合物的物理性质

• 碳化合物通常具有较低的沸点和熔点。这是因为它们分子间作用力较弱。
• 它们是电的差导体，因为它们缺乏自由电子和离子。

碳化合物的化学性质

1. 燃烧

碳化合物或其所有同素异形体在空气或氧气中燃烧时会产生二氧化碳、水以及热量和光，如下面的反应所示；

CH₃CH₂OH (l) + O₂ → CO₂ + H₂O + 热和光

而当碳单独在空气或氧气中燃烧时，它会产生二氧化碳以及热量和光，如下所示；

C (s) + O₂ → CO₂ + 热和光

饱和碳氢化合物在充足的空气或氧气中燃烧时会产生蓝色火焰（完全燃烧），并产生二氧化碳、水以及热量和光。而由于不完全燃烧，它们在空气或氧气供应有限的情况下会燃烧产生烟熏火焰，如下所示；

CH₄ + 2O₂ →CO₂ + 2H₂O + 热和光（有烟火焰）

如果我们谈论不饱和碳氢化合物，它们会燃烧产生黄色的烟熏火焰。

2. 氧化

碳及其化合物在氧气存在下会发生氧化或被氧化。例如，碳氧化后生成一氧化碳，如下所示；

C (s) + O2 (g) → 2CO (g)

在氧化剂存在下，乙醇等碳化合物的氧化会生成乙酸。例如；

CH₃CH₂OH → CH₃COOH （乙酸或醋酸）

此外，应该注意的是，所有的燃烧反应都是氧化反应，但并非所有的氧化反应都是燃烧反应。

3. 加成反应

这些反应允许碳形成长链原子。含有多个（双键或三键）不饱和碳化合物，如烯烃和炔烃，会发生加成反应，生成含有单键的饱和化合物。

例如，含有双键的乙烯在氢气和镍催化下加热会生成乙烷，如下所示；

CH₂=CH₂ + H₂ + 镍（催化剂） → CH₃-CH₃

同样，丁炔（不饱和碳化合物）转化为丁烷，如下所示；

CH₃C?C-CH₃ （丁炔）→ CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ （丁烷）

4. 取代反应

碳化合物也会发生取代反应，其中化合物的一个或多个原子被另一个原子或原子团取代。例如，化合物的官能团被另一个化合物的官能团取代，如下面的反应所示；

CH₃Cl + OH^- → CH₃OH + Cl^-

此外，饱和碳氢化合物的化学反应性较低。因此，它们也被称为石蜡，意为亲和力小。然而，它们在适当的条件下倾向于发生取代反应。例如，甲烷（CH₄）在阳光下与氯反应时，甲烷的氢原子会被氯原子取代，如下所示；

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl （氯甲烷 + 氯化氢）

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl （二氯甲烷 + 氯化氢）

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl （氯仿 + 氯化氢）

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl （四氯化碳 + 氯化氢）

碳的用途

碳在我们日常生活中被广泛使用。它的一些常见用途如下；

• 人体 18% 由碳组成。例如，糖、葡萄糖和蛋白质都含有碳。为我们身体提供能量的碳水化合物也含有碳，例如葡萄糖、果糖、蔗糖等。
• 碳的同素异形体金刚石广泛用于珠宝制作。此外，它是已知最硬的物质，因此也用于切割和其他用途。
• 无定形碳用于墨水和油漆的制备，也用于电池。
• 碳的同素异形体石墨用于铅笔。它也用于钢铁生产。
• 碳还用于碳定年，用于测量化石和其他非生物物质的年龄。例如，C-14 的释放有助于估算有机物质的寿命。