一开始是习惯问题,后来经过国际会议统一了这个标准,是人为定义的。用C-12是比较方便测量(它很常见,又是稳定的,不衰变)。
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最初,“原子量”是以化学元素氧的原子量(规定为16)为标准。但是化学家是把氧的同位素氧-16、氧-17、氧-18的混合物,即天然氧元素的数值定为16。而物理学家则是把氧的一种同位素即氧-16的数值定为16,两者很不一致。1959~1960年,国际纯粹与应用物理学联合会 (IUPAP)和国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)取得一致协议后,结束了这种不一致局面。决定改用碳同位素碳-12作为标准,把它的原子量定为12,并以此为出发点,给出了“相对原子质量”的数值。馀下的问题是通过确定碳-12的相应质量以定义物质的量的单位。根据国际协议,一个“物质的量”单位的碳-12应有 0.012千克。这样定义的“物质的量”单位取名摩尔(符号mol)。
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多少年来,人们都以氧原子量(16.00D0)作为标准去衡量其它各种元素的原子量。而到了1960~1961年间,物理学家和化学家们在有关的国际学术会议上,决定统一物理和化学的单位。并一致认为把碳元素的主要同位素碳—12的原子量作为测定其它元素原子量的新标准,并把碳—12的原子量定为12.000000。根据这—标准,氧16的原子量就为15.994915,所以采用碳—12原子量的十二分之一作为一个原子质量单位要比氧16的单位大一些。而新老标准间的差值约为万分之三(0.03%)。
化学中为什么要用碳12作为相对原子质量标准
碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。它的化学符号是C,它的原子序数是6,电子构型为[He]2s22p2。碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。
原子体积:(立方厘米/摩尔)
4.58
元素在太阳中的含量:(ppm)
3000
元素在海水中的含量:(ppm)
太平洋表面 23
地壳中含量:(ppm)
480
拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”。汉字“碳”字由木炭的“炭”字加表固体非金属元素的石字旁构成,从 炭字音。
性状
碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构,外观、密度、熔点等各自不同。 碳的单质已知以多种同素异形体的形式存在:
石墨
莫氏硬度:石墨1-2 金刚石 10
金刚石
氧化态:
Main C-4, C+2, C+4
Other
化学键能: (kJ /mol)
C-H 411
C-C 348
C=C 614
C≡C 839
C=N 615
C≡N 891
C=O 745
C≡O 1074
热导率: W/(m·K)
(graphite) 119-165
晶胞参数:
a = 246.4 pm
b = 246.4 pm
c = 671.1 pm
α = 90°
β = 90°
γ = 120°
电离能 (kJ/ mol)
M - M+ 1086.2
M+ - M2+ 2352
M2+ - M3+ 4620
M3+ - M4+ 6222
M4+ - M5+ 37827
M5+ - M6+ 47270
富勒烯(Fullerenes,也被称为巴基球)
无定形碳(Amorphous,不是真的异形体,内部结构是石墨)
碳纳米管(Carbon nanotube)
六方金刚石(Lonsdaleite,与金刚石有相同的键型,但原子以六边形排列,也被称为六角金刚石)
赵石墨(Chaoite,石墨与陨石碰撞时产生,具有六边形图案的原子排列)
汞黝矿结构(Schwarzite,由于有七边形的出现,六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构)
纤维碳(Filamentous carbon,小片堆成长链而形成的纤维)
碳气凝胶(Carbon aerogels,密度极小的多孔结构,类似于熟知的硅气凝胶)
碳纳米泡沫(Carbon nanofoam,蛛网状,有分形结构,密度是碳气凝胶的百分之一,有铁磁性)
最常见的两种单质是高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨,它们晶体结构和键型都不同。金刚石每个碳都是四面体4配位,类似脂肪族化合物;石墨每个碳都是三角形3配位,可以看作无限个苯环稠合起来。
常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。
同位素
目前已知的同位素共有十二种,有碳8至碳19,其中碳12和碳13属稳定型,其余的均带放射性,当中碳14的半衰期长达五千多年,其他的均全不足半小时。
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,被广泛用来测定古物的年代。
成键
碳原子一般是四价的,这就需要4个单电子,但是其基态只有2个单电子,所以成键时总是要进行杂化。最常见的杂化方式是sp3杂化,4个价电子被充分利用,平均分布在4个轨道里,属于等性杂化。这种结构完全对称,成键以后是稳定的σ键,而且没有孤电子对的排斥,非常稳定。金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。烷烃的碳原子也属于此类。
根据需要,碳原子也可以进行sp2或sp杂化。这两种方式出现在成重键的情况下,未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道,与邻原子的p轨道成π键。烯烃中与双键相连的碳原子为sp 2杂化。
由于sp2杂化可以使原子共面,当出现多个双键时,垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系。苯是最典型的共轭体系,它已经失去了双键的一些性质。石墨中所有的碳原子都处于一个大的共轭体系中,每一个片层有一个。
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、硫化物:一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐:氰(CN)2、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,目前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,现已形成一门独立的分科 有机化学。
分布
碳存在于自然界中(如以金刚石和石墨形式),是煤、石油、沥青、石灰石和其它碳酸盐以及一切有机化合物的最主要的成分,在地壳中的含量约0.027%。碳是占生物体干重比例最多的一种元素。碳还以二氧化碳的形式在地球上循环于大气层与平流层。
在大多数的天体及其大气层中都存在有碳。
发现
金刚石和石墨史前人类就已经知道。 富勒烯则于1985年被发现,此后又发现了一系列排列方式不同的碳单质。
同位素碳14由美国科学家马丁·卡门和塞缪尔·鲁宾于1940年发现。
单质的精炼
金刚石
金刚石即钻石可以找到集中的块状矿藏,开采出来时一般都有杂质。用另外的钻石粉末将杂质削去,并打磨成形,即得成品。一般在切削、打磨过程中要损耗掉一半的质量。
石墨
用途
在工业上和医药上,碳和它的化合物用途极为广泛。
测量古物中碳14的含量,可以得知其年代,这叫做碳14断代法。
石墨可以直接用作炭笔,也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的铅芯。金刚石除了装饰之外,还可使切削用具更锋利。无定形碳由于具有极大的表面积,被用来吸收毒气、废气。富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用。
碳是生铁、熟铁和钢的成分之一,在生铁中的质量分数为2%~4.3%,在钢中的质量分数为0.03%~2%。
碳能在化学上自我结合而形成大量化合物,在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。碳化合物一般从化石燃料中获得,然后再分离并进一步合成出各种生产生活所需的产品,如乙烯、塑料等。
理化特性
总体特性
元素名称:碳
元素符号:C
元素类型:非金属
元素原子量:12.01
质子数:6
中子数:7
原子序数:6
所属周期:2
所属族数:IVA
电子层分布:2-4
密度、硬度 密度为3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨)(20 ℃)、
0.5 (石墨)
10.0 (钻石)
颜色和外表 黑色(石墨)
无色(钻石)
地壳含量 无数据
原子属性
原子量 12.0107 原子量单位
原子半径(计算值) 70(67)pm
共价半径 77 pm
范德华半径 170 pm
电子构型 [氦]2s22p2
电子在每能级的排布 2,4
氧化价(氧化物) 4,3,2(弱酸性)
晶体结构 六方(石墨)
立方(钻石)
物理属性
物质状态 固态(反磁性)
熔点 熔点约为3 550 ℃(金刚石)
沸点 沸点约为4 827 ℃(升华)
摩尔体积 5.29×10-6m3/mol
汽化热 355.8 kJ/mol(升华)
熔化热 无数据(升华)
蒸气压 0 帕
声速 18350 m/s
其他性质
电负性 2.55(鲍林标度)
比热 710 J/(kg·K)
电导率 0.061×10-6/(米欧姆)
热导率 129 W/(m·K)
第一电离能 1086.5 kJ/mol
第二电离能 2352.6 kJ/mol
第三电离能 4620.5 kJ/mol
第四电离能 6222.7 kJ/mol
第五电离能 37831 kJ/mol
第六电离能 47277.0 kJ/mol
最稳定的同位素
同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量
MeV 衰变产物
12C 98.9 % 稳定
13C 1.1 % 稳定
14C 微量 5730年 β衰变 0.156 14N
在没有特别注明的情况下使用的是
国际标准基准单位单位和标准气温和气压
碳,原子序数6,原子量12.011。元素名来源拉丁文,原意是“炭”。碳是自然界中分布很广的元素之一,在地壳中的含量约0.27%。碳的存在形式是多种多样的,有晶态单质碳如金刚石、石墨;有无定形碳如煤;有复杂的有机化合物如动植物等;碳酸盐如大理石等。
单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同,各有各的外观、密度、熔点等。
常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;不同高温下与氧反应,生成二氧化碳或一氧化碳;在卤素中只有氟能与单质碳直接反应;在加热下,单质碳较易被酸氧化;在高温下,碳还能与许多金属反应,生成金属碳化物。
1959年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出以碳的同位素12C=12作为相对原子质量的标准,(即以12C质量的1/12作为标准),并商得国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)的同意,于1961年8月正式决定采用碳的同位素12C=12作为相对原子质量的新标准.同年发布了新的国际原子量表.
之所以采用12C作为相对原子质量的标准的原因大致是:(1)碳形成很多高质量的“分子离子”和氢化物,利于测定质谱;(2)12C很容易在质谱仪中测定,而用质谱仪测定相对原子质量是现代最准确的方法;(3)采用12C后,所有元素的相对原子质量都变动不大,仅比过去减少0.004
3%;(4)这种碳原子在自然界的丰度比较稳定;(5)碳在自然界分布较广,它的化合物特别是有机化合物繁多;(6)密度最小的氢的相对原子质量仍不小于1.
原子的绝对质量很小,如果用千克来表示,很不方便.于是采用12C一个原子质量的1/12作标准,其他原子的质量跟它比较所得的值,就是这种原子的相对原子质量
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