碳元素

在大一无机化学中对碳元素的学习总结，包括同素异形体、无定形碳、含氧酸及其盐、碳的硫化物和卤化物等内容。

碳

• 同素异形体
  • 金刚石、六方金刚石、六方石墨、三方石墨、白碳、球碳、管碳等
  • 石墨(sp2杂化)
    • 大π 键， 层向良好的导电、导热性、 可层间滑动，具润滑性
  • 金刚石
    • 无色透明的固体，为原子晶体， sp3杂化金刚石硬度最大，熔点极高， 分子中没有自由电子，不导电， 在工业上可用于刀具来切割金属及制造高档装饰品。
  • C60球碳
    • sp2~ sp3之间
• 无定形碳
  • 活性炭：高比表面积：400 ~2500 m2 · g-1
  • 炭黑：年产超过 8×106 t ，94 % 用于橡胶制品的填料
  • 碳纤维：每架波音-767飞机需用 1 t 碳纤维材料
• 含氧酸及其盐
  • 碳酸
    • CO2溶于水即形成碳酸 CO2+ H20= H2CO3
    • 大部分CO2以水合分子形式存在，仅存在于水溶液中, 至今尚未制得纯碳酸
    • 二元弱酸
    • CO32-的结构
      • CO32-与BF3为等电子体，sp2杂化
  • 碳酸盐
    • CO32-的鉴定
      • CO32- + 2H+(稀HCl或H2SO4)→CO2↑+H2O   Ba(OH)2  BaCO3↓(白色)
    • 性质
      • 热稳定性
        • 热稳定性差,易分解
          • M"CO32-→M"O+CO2↑ 2MHCO3-→M2CO3+ H2O+CO2↑
          • 1.碱金属盐>碱土金属盐>过渡金属盐>铵盐 2.碳酸盐>碳酸氢盐>碳酸
      • 溶解性
        • 难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶，如CaCO3(难溶) Ca(HCO3)2(易溶)
        • 碳酸盐一除NH、碱金属(Li除外)盐，-般难溶 碳酸氢盐_一般易溶
      • 水解性
        • 钟乳石、石笋的形成
          • 自然界石灰石等在CO2、H,0作用下 CaCO3(难溶)+ CO2+H2O一→Ca(HCO3)2(易溶)
        • 碳酸盐--水溶液呈碱性； 碳酸氢盐~-水溶液呈微碱性
        • 可溶性碳酸盐可作沉淀剂，分离某些离子
          • 氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀 2Fe3+ +3CO3 2- +3H2O→2Fe(OH)3↓+3CO2| 2A13+ +3CO3 2-+3H2O→2Al(OH)3+3CO2↑
          • 氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生 成碳酸羟盐(碱式碳酸盐)沉淀 2Cu2+ + 2CO3 2- +H2O→Cu2(OH)2CO3↓+CO2 2Mg2+ + 2CO3 2- +H2O→Mg2(OH)2CO3↓+CO2
          • 水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀。例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等 Ba2+ + CO3 2-→BaCO3 2Ag+ + CO3 2-→Ag2CO3
          • 金属氢氧化物<对应碳酸盐 氢氧化物 金属氢氧化物≈对应碳酸盐 碱式碳酸盐 金属氢氧化物>对应碳酸盐 碳酸盐
        • 易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小
          • 向浓碳酸钠溶液中通入CO2至饱和可析出NaHCO3 Na2CO3(易溶)+ CO2+H2O→2NaHCO3(溶解度小)
• 碳的硫化物和卤化物
  • 二硫化碳
    • CS2 只能瞬间存在， CS2 ：直线形分子，无色有毒易挥发的液体，易燃，优良的溶剂
  • 碳的卤化物
    • CS2 +3Cl2 = CCl4 +S2Cl2
    • 氟利昂---烷烃的含氟和氯的衍生物的总称
      • 氟利昂(CFCs)---为温室气体，又是破坏臭氧层的杀手
• 氧化物
  • CO
    • 制备
      • 工业
        • CH4 + H2O→650～1000℃, 10×105 PaNiO催化 CO + 3H2 （ 水蒸气转化法）
        • C + H2O →925～1375℃1×105 Pa～30×105 PaCO + H2（水煤气反应法）
      • 实验室
        • HCOOH→△，浓硫酸 CO + H2O
        • H2C2O4→(△, 浓硫酸) CO + CO2 + H2O
    • 一氧化碳(CO)：与N2是等电子体, 结构相似
      • 一个Q键，两个π键
    • 性质
      • 作配位体，形成羰基配合物 Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(CO)8
        • CO的HOMO为Q给体(碱) CO的LUMO为π受体(酸)
      • 还原剂
        • 2CO(g)+O2(g)→CO2(g)
        • Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(s)+3CO2(g)
        • 2 [Ag(NH3)2](OH) + CO=2 Ag + (NH4)2CO3 + 2 NH3
          • 常温下反应，可以用于检出微量 CO
      • 剧毒
        • 因为CO与血红蛋白中 Fe(Ⅱ) 原子的结合力比 O2 高出 300倍, 阻止了血红蛋白对身体细胞氧气的运输
  • CO2
    • 二氧化碳 (CO2)：C sp杂化，有2个未成键的p轨道 2个π34键
    • 性质
      • CO2不活泼，但在高温下，能与碳或活泼金属如镁、钠等反应
        • C (s)+ CO2 (g) ＝ 2CO (g) CO2(g) + 2Mg(s) ＝ 2MgO(s) + C(s) 2 CO2 + 2 Na ＝ Na2CO3 + CO
        • CO2灭火器不可用于扑灭活泼金属如Mg、Na、K等引起的火灾。
      • 酸性
        • CaCO3+ CO2 +H2O ＝ Ca(HCO3)2
      • 二氧化碳与 NH3 反应生成的 NH4HCO3 可以用来制造CO(NH2)2
      • 二氧化碳无毒，能用于制造各种碳酸饮料
    • 温室效应