大家好，今天我們來(lái)認(rèn)識(shí)碳元素，碳是對(duì)生物最基礎(chǔ)最重要的元素，因此內(nèi)容比較多，我總共查詢了近百篇文獻(xiàn)才寫完這個(gè)專欄，希望大家喜歡，還請(qǐng)多多支持。

碳是原子序數(shù)為6的化學(xué)元素，元素符號(hào)為C。它是一種非金屬，位于元素周期表第14族。碳是少數(shù)幾個(gè)自遠(yuǎn)古就被發(fā)現(xiàn)的元素之一。碳可以形成大量化合物，其數(shù)量比任何其他元素都多，迄今為止已有近千萬(wàn)種化合物，然而，這個(gè)數(shù)字只占標(biāo)準(zhǔn)條件下理論上可能的化合物數(shù)量的一小部分。因此，碳被稱為元素之王。

一、特性

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，碳沒(méi)有熔點(diǎn)，因?yàn)樗娜帱c(diǎn)為4600±300K及10.8±0.2MPa，并在約3900K左右升華。碳可以在高于高熔點(diǎn)金屬（如鎢或錸）的溫度下保持固態(tài)。石墨在標(biāo)準(zhǔn)條件下比金剛**具反應(yīng)性，盡管在熱力學(xué)上更穩(wěn)定，但它的離域π鍵更容易受到破壞。如，石墨可以通過(guò)熱濃硝酸被氧化成苯六甲酸，同時(shí)會(huì)保留六方單位的結(jié)構(gòu)，但破整體大結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞。石墨也可以與氟氣反應(yīng)，最終得到一氟化碳，也稱氟化聚合碳，提高溫度最終可以生成碳氟比為1:1.12的化合物，富勒烯也可以與氟氣以相似的方式發(fā)生反應(yīng)，生成氟碳比最高為C??F??的化合物。合成一氟化碳的一個(gè)前體是氟石墨間層化合物。其他氟與石墨形成的層間化合物還有，聚（氟化二碳）((C?F)n)、氟化四碳。氟化石墨是通過(guò)液相剝離技術(shù)制備單層氟化石墨的前體。

碳存在4個(gè)價(jià)電子。碳第一到第四電離能1086.5,2352.6,4620.5和6222.7kJ/mol遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的14族元素。碳的電負(fù)性為2.5，也明顯高于其他14族元素（1.8-1.9），與第三和第四周期的某些非金屬相似。碳碳單/雙/三鍵半徑為77.2pm，66.7pm和60.3pm。通常，配位數(shù)越低和鍵序越高則共價(jià)半徑會(huì)隨之降低。

碳所有生命的基礎(chǔ)，并通過(guò)碳-氮循環(huán)將一些能量轉(zhuǎn)化。雖然碳存在大量化合物，但大多數(shù)的碳在正常條件下不起反應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，碳不與硫酸，鹽酸，氯或任何堿反應(yīng)。碳在室溫下是較弱的還原劑。在更高的溫度下，碳與氧氣反應(yīng)形成碳氧化物并會(huì)從某些金屬氧化物中奪取氧氣，留下金屬單質(zhì)。碳在高溫下與一些金屬結(jié)合形成金屬碳化物，例如鋼在高溫下會(huì)產(chǎn)生碳化鎢以及碳化三鐵滲碳體。

1.碳的同素異形體

碳由于其電子排布能夠形成許多同素異形體。近幾十年來(lái)，已經(jīng)研究并發(fā)現(xiàn)了更多的碳同素異形體。碳可形成大分子碳納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)SACADA(薩馬拉碳同素異形體數(shù)據(jù)庫(kù))統(tǒng)計(jì)，目前大約有500種假設(shè)的碳同素異形體。以下是簡(jiǎn)單的介紹。

①鉆石

鉆石是最常見(jiàn)的碳同素異形體之一，其中碳原子采用sp3雜化。鉆石是已知最硬的天然礦物，除了另一顆鉆石外，沒(méi)有已知的天然物質(zhì)可以切割鉆石。

工業(yè)鉆石與寶石級(jí)鉆石的用途大不相同。工業(yè)鉆石的價(jià)值主要在硬度和導(dǎo)熱性，80％的開(kāi)采鉆石不適合用作寶石，這些會(huì)被稱為圓粒金剛石，主要用于工業(yè)用途。除了開(kāi)采鉆石，合成鉆石在發(fā)明后幾乎立即應(yīng)用于工業(yè)；平均每年會(huì)生產(chǎn)的合成鉆石幾乎開(kāi)采的天然鉆石質(zhì)量的四倍。

鉆石的主要用途是切割，鉆孔，磨削和拋光。在這些技術(shù)中大多數(shù)鉆石的使用都不需要有著很大質(zhì)量。專業(yè)的應(yīng)用包括在實(shí)驗(yàn)室中用作高壓實(shí)驗(yàn)的容器以及高性能軸承等方面。

人造金剛石使得許多潛在應(yīng)用變得可行。許多半導(dǎo)體微芯片及散熱器已經(jīng)開(kāi)始使用金剛石。人造金剛石制造商也改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)量。

金剛石中的每個(gè)碳原子與其他四個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合。這些四面體在椅式結(jié)構(gòu)中一起形成類似環(huán)己烷的六元碳環(huán)三維網(wǎng)絡(luò)，這使得金剛石十分穩(wěn)定。雖然在標(biāo)況下，石墨是最穩(wěn)定的碳單質(zhì)，但新的研究表明，在接近0K，0Pa時(shí)，鉆石比石墨更穩(wěn)定。

②石墨類

Ⅰ：石墨

石墨也是碳最常見(jiàn)的同素異形體之一，碳原子采取sp2雜化。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，石墨是最穩(wěn)定的碳同素異形體。因此，它在熱化學(xué)中用作定義碳化合物形的成熱狀態(tài)。

在石墨中，每個(gè)碳原子僅使用3個(gè)外層電子與平面中的其他三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵。而每個(gè)碳原子的另一個(gè)電子會(huì)形成離域的π鍵。離域電子可以在整個(gè)平面內(nèi)自由移動(dòng)。因此，石墨可以導(dǎo)電。然而，電子僅能沿著層平面?zhèn)鲗?dǎo)。而在金剛石中，每個(gè)碳原子的所有四個(gè)電子會(huì)用于共價(jià)鍵的形成，這使得電子的運(yùn)動(dòng)受到限制，金剛石無(wú)法傳導(dǎo)電流。

石墨粉可在工業(yè)上用于潤(rùn)滑。以前主要認(rèn)為這是由于結(jié)構(gòu)中片層之間松散耦合導(dǎo)致的，但在真空環(huán)境中，石墨是很差的潤(rùn)滑劑。因此后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)石墨的潤(rùn)滑性是由于石墨的層間結(jié)構(gòu)可以吸附空氣和水，這與其他層狀潤(rùn)滑劑如二硫化鉬的原理不同。最近的研究表明，超潤(rùn)滑可解釋石墨這種特性。

當(dāng)石墨出現(xiàn)大量結(jié)晶缺陷將層間平面結(jié)合在一起時(shí)，石墨會(huì)失去潤(rùn)滑性能變成所謂的熱解碳。熱解碳可當(dāng)作植體填充物。

高溫下的石墨不易燃燒。因此，石墨用于核反應(yīng)堆和高溫坩堝熔煉金屬。在大約2000°C和5GPa下，石墨可轉(zhuǎn)化為金剛石。

由于石墨的脆性和各向異性等機(jī)械特性，石墨通常會(huì)使用非純凈形式用作結(jié)構(gòu)材料。

各向同性的熱解石墨和碳纖維石墨堅(jiān)固耐熱，可用于導(dǎo)彈前錐，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，高溫反應(yīng)器和電動(dòng)馬達(dá)刷。

石墨也可用于防火以及密封。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，石墨會(huì)膨脹以抵抗火焰滲透并防止煙霧擴(kuò)散。石墨的起始膨脹溫度介于150-300°C之間。此外，石墨的密度僅為2.3g/cm3，它比鉆**輕。

石墨比金剛**具活性。這是因?yàn)榉磻?yīng)物能夠滲透到石墨中的六方碳原子層之間。但它一般不受普通溶劑，稀酸或熔融堿的影響。然而，鉻酸將其氧化成二氧化碳。

Ⅱ：石墨烯

單層石墨被稱為石墨烯，其中碳原子采用sp2雜化，它具有非凡的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等物理特性。它可以通過(guò)在絕緣層隙或?qū)щ娀咨蠈⑹M(jìn)行重復(fù)的機(jī)械剝離來(lái)制備。石墨烯可用于替換高性能電子設(shè)備中的單晶硅。另外，將石墨烯堆疊至兩層，還可獲得其他特殊性質(zhì)。

Ⅲ：石墨苯烯

石墨苯烯是一種單層類石墨材料，其中碳原子采用sp2雜化。石墨苯烯具有以聯(lián)苯烯作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的六方晶格，它也被稱為聯(lián)苯烯碳。

Ⅳ：AA'石墨(也被稱為不對(duì)稱石墨或無(wú)序石墨)

AA'石墨也是一種類似石墨的碳同素異形體，其中碳原子采用sp2雜化，但同與石墨中的有序片層結(jié)構(gòu)相比，AA'石墨中這些層的位置彼此不同。

③無(wú)定形碳

無(wú)定形碳指的是那些不具有晶體結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)。與玻璃一樣，無(wú)定形碳可以觀察到一些小規(guī)模的有序結(jié)構(gòu)，其中碳原子采用sp3和sp2的混合雜化方式，但沒(méi)有整體固定的排列方式。大多數(shù)無(wú)定形碳實(shí)際上可能含有少量類似石墨或金剛石的微觀結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的無(wú)定形碳有活性炭、炭黑、碳纖維、焦炭等等。

煤碳和木炭也被非正式地稱為無(wú)定形碳。然而，它們是煤和木材隔絕空氣的熱解產(chǎn)物，在正常條件下熱解并不會(huì)產(chǎn)生真正的無(wú)定形碳。

④納米碳

Ⅰ：富勒烯

富勒烯是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒中的碳屬于sp2雜化，其在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似，富勒烯是由六元環(huán)或五元環(huán)甚至七元環(huán)等組成的立體分子結(jié)構(gòu)。由于這些分子與建筑學(xué)家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，便將這些分子命名為富勒烯。自然界也存在極少量的富勒烯分子，太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在外太空中也有富勒烯的存在。

富勒烯獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)以及在技術(shù)方面潛在的應(yīng)用，引起了科學(xué)家們強(qiáng)烈的興趣，尤其是在材料科學(xué)、電子學(xué)和納米技術(shù)方面。富勒烯的化學(xué)和物理性質(zhì)仍在大量研究實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。富勒烯也可能有潛在藥用作用，將特異性抗生素與富勒烯的結(jié)構(gòu)結(jié)合可以靶向?qū)辜?xì)菌，甚至能針對(duì)某些癌細(xì)胞如黑色素瘤。

常見(jiàn)的富勒烯可分為以下幾類：

巴基球團(tuán)簇：包括低碳富勒烯(碳原子數(shù)少于60個(gè)的富勒烯)、C??(巴克明斯特富勒烯)、C??、高碳富勒烯(碳原子數(shù)少于70個(gè)的富勒烯)

碳納米管：非常小的中空?qǐng)A柱形碳分子，有單壁和多壁之分；在電子工業(yè)有潛在的應(yīng)用

巨碳管：比碳納米管更大的碳分子，管壁可根據(jù)需要制備成不同厚度，在轉(zhuǎn)運(yùn)不同大小的分子方面具有一定的潛在價(jià)值

富勒烯聚合物：在高溫高壓下形成的鏈狀、二維或三維聚合物，使用原子轉(zhuǎn)移自由基加成聚合法可定向形成單鏈聚合物

納米“洋蔥”：由多壁碳層包裹在巴基球外部形成球狀顆粒，可用于潤(rùn)滑劑

球鏈二聚體富勒烯：兩個(gè)巴基球被碳鏈相連組成的單壁富勒烯環(huán)狀加成物，有著良好的物理特性

富勒烯環(huán)：由大量對(duì)稱的巴基球連接形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。其穩(wěn)定性受到分子間的五邊形雙鍵數(shù)影響

富勒體：泛指固態(tài)化的富勒烯及其相關(guān)化合物。而經(jīng)過(guò)高壓高溫得到的富勒體會(huì)被稱為超硬富勒體，在這種條件下普通的富勒烯固體會(huì)形成鉆石形式的納米晶體，它有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。

Ⅱ：碳納米管

碳納米管，也稱巴基管，是具有新特性的圓柱形碳分子，其中碳原子為sp2雜化。碳納米管在納米電子學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)都表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景，其具有非凡的強(qiáng)度，獨(dú)特的電氣特性，并且是高效的導(dǎo)熱體。目前無(wú)機(jī)納米管也已被合成出來(lái)。碳納米管嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是富勒烯結(jié)構(gòu)家族的成員。碳納米管是圓柱形的，它的名稱來(lái)源于其尺寸，因?yàn)榧{米管的直徑大約為幾納米，而它們的長(zhǎng)度可達(dá)幾厘米。有兩種主要類型的納米管：?jiǎn)伪诩{米管和多壁納米管。

Ⅲ：碳納米芽

碳納米芽是新發(fā)現(xiàn)的碳的同素異形體，是將芽狀的富勒烯以共價(jià)鍵連接到碳納米管的外側(cè)壁，其中碳原子為sp2雜化。該雜化材料同時(shí)具有富勒烯和碳納米管的性質(zhì)。碳納米芽預(yù)計(jì)可以當(dāng)作非常好的場(chǎng)發(fā)射器。

Ⅳ：碳納米卷

碳納米卷的結(jié)構(gòu)類似于多壁碳納米管，但碳納米卷的末端開(kāi)口邊緣具有螺旋狀幾何卷起，其中碳原子為sp2雜化。

目前已經(jīng)有許多方法來(lái)生產(chǎn)碳納米卷，包括電弧放電，球磨法和嵌入法等等。楔形基底機(jī)械剝離據(jù)報(bào)道也在實(shí)驗(yàn)上了類似的碳納米卷。然而，由于納米級(jí)晶體膠體制品加工困難，其實(shí)際應(yīng)用受到限制。從熱力學(xué)角度講，碳納米卷的表面通過(guò)范德華力進(jìn)行相互堆疊以降低能量勢(shì)壘。為了克服這一問(wèn)題并獲得高質(zhì)量的納米晶，最近已經(jīng)開(kāi)始使用聚合物輔助液體剝離技術(shù)，這種技術(shù)允許制造高吞吐量和高質(zhì)量的納米卷分散體。其他材料的納米卷，如金納米晶，也通過(guò)剝離技術(shù)成功制得。

Ⅴ：碳納米帶

碳納米帶，也稱石墨烯納米帶或納米石墨帶，是寬度小于50nm的石墨烯條，其中碳原子為sp2雜化。其理論模型用于檢查石墨烯邊緣的納米級(jí)尺寸效應(yīng)。

碳納米帶的結(jié)構(gòu)使其具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使碳納米帶成為集成電路互連材料的另一種潛在選擇，其有可能替代銅金屬。有些研究者試著用碳納米帶來(lái)制成量子點(diǎn)，在某些特定位置改變寬度會(huì)形成量子禁閉。此外，碳納米帶的低維結(jié)構(gòu)使其具有非常理想的光電性能。碳納米帶放在微腔或納米腔體中可充當(dāng)激光器和放大器。新研究表明碳納米帶可應(yīng)用于光通信系統(tǒng)。

Ⅵ：聚合鉆石納米棒

聚合鉆石納米棒，又稱鉆石納米棒聚合體，是一種納米級(jí)晶型鉆石，也稱納米鉆石或超鉆石，其中的碳原子一般采用sp3雜化。聚合鉆石納米棒最早是于2003年由石墨的壓縮制得的，它比一般的鉆石要還要硬很多。后來(lái)，科學(xué)家通過(guò)壓縮富勒體粉末也制得了聚合鉆石納米棒。

Ⅶ：施瓦茨碳

施瓦茨碳是一種有著負(fù)曲率的碳分子。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，可用于電池內(nèi)并用作催化劑。施瓦茨碳是研究人員在研究沸石模板碳時(shí)偶然制造的，研究人員在沸石內(nèi)部注入含碳分子的蒸氣，使得碳附著在沸石孔壁上并組裝成類二維石墨烯片。由于比表面吉布斯自由能趨于最小，二維石墨烯片表面被拉緊以達(dá)到表面積最小化，形成類似于馬鞍狀的負(fù)曲率表面。最終成功獲得了三種新型的碳結(jié)構(gòu)分子。

基于理論研究，施瓦茨碳的碳籠表面會(huì)攜帶大量的電荷，這使得其成為性能出色的超級(jí)電容器材料；而較大的表面積比可使其用于催化石油和天然氣工業(yè)中的有機(jī)反應(yīng)；此外，較大的內(nèi)部體積也可以存儲(chǔ)多種原子和分子。化學(xué)家預(yù)測(cè)施瓦茨碳將具有獨(dú)特的電子學(xué)、磁性和光學(xué)性質(zhì)，可被用作超級(jí)電容器、電池電極和催化劑，并具有適用于氣體儲(chǔ)存和分離的大型內(nèi)部空間。

⑤玻璃碳

玻璃碳是一類非石墨型碳單質(zhì)，其中碳原子為sp2雜化。玻璃碳廣泛用作電化學(xué)中的電極材料，以及高溫坩堝和某些修復(fù)裝置中的部件。

玻璃碳由英國(guó)的一所實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的。科學(xué)家在開(kāi)發(fā)一種有著類似鉆石結(jié)構(gòu)的聚合物基質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種無(wú)需催化劑就可以經(jīng)過(guò)特殊處理而凝固的可吸收酚醛樹(shù)脂。利用這種樹(shù)脂，玻璃碳就被生產(chǎn)出來(lái)。

玻璃碳的制備需在3000°C以下的溫度下對(duì)有機(jī)前體進(jìn)行一系列熱處理。與一般的非石墨碳單質(zhì)不同，玻璃碳并不透氣，在化學(xué)上比較惰性。目前已經(jīng)證明，某些玻璃碳在氧氣、二氧化碳或水蒸氣中的氧化速率均低于任何其他碳單質(zhì)。玻璃碳也具有很強(qiáng)的耐酸性。普通石墨會(huì)被濃硝酸氧化，但玻璃碳經(jīng)過(guò)幾個(gè)月也不會(huì)受到影響。

⑥原子碳

在某些條件下，碳可以以原子形式存在。原子碳是在非常低的壓力下通過(guò)大電流形成的。原子碳非常不穩(wěn)定，但可用于制造某些含卡賓的中間產(chǎn)物。

Ⅰ：?jiǎn)卧犹?/p>

單原子碳是一種無(wú)色氣態(tài)物質(zhì)，化學(xué)式C。單原子碳在動(dòng)力學(xué)上不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生自發(fā)聚合。單原子碳是最簡(jiǎn)單的碳形式，也可以被認(rèn)為是石墨的單體。

Ⅱ：雙原子碳

雙原子碳是一種在高溫下以雙原子分子形式存在的碳單質(zhì)，分子式為C?。雙原子碳會(huì)在碳蒸氣中存在，一般含量約為28%，但雙原子碳的含量隨著溫度和壓力的改變也會(huì)發(fā)生變化。雙原子碳可通過(guò)電弧制備，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生C??。在彗星、恒星大氣層、星際物質(zhì)以及烴類的藍(lán)色火焰中也有雙原子碳的存在。

Ⅲ：三原子碳

三原子碳是一種無(wú)色氣體，它僅能作為加合物存在于稀釋的溶液中。它是最簡(jiǎn)單的不飽和卡賓之一。

三原子碳是一個(gè)小型碳簇，最早是在彗星尾部進(jìn)行光譜觀察發(fā)現(xiàn)的，隨后在恒星大氣中檢測(cè)到了存在。三原子碳也可以在星際空間中找到，而在地球上存在的三原子碳是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行激光燒蝕生產(chǎn)的。三原子碳也被視為煤煙的前體和在工業(yè)上某些富勒烯合成的中間產(chǎn)物。分子幾何學(xué)通過(guò)其特有的對(duì)稱和振動(dòng)拉伸模式已確定三原子碳為線性結(jié)構(gòu)，并有著與烯烴相對(duì)應(yīng)的129至130皮米的鍵長(zhǎng)。三原子碳在實(shí)驗(yàn)中的電離電位為11-13.5eV。而三碳陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)卻與三原子碳不同，呈現(xiàn)彎曲的狀態(tài)。三原子碳也被確定為各種含碳物質(zhì)燃燒反應(yīng)中的瞬態(tài)產(chǎn)物。

⑦碳納米泡沫

碳納米泡沫是第五種已知的碳同素異形體。它由一個(gè)低密度的碳原子簇組成，其中碳原子采用sp3和sp2的混合雜化方式，這些碳原子被串在一個(gè)松散的三維網(wǎng)絡(luò)中。

每個(gè)原子團(tuán)大約6納米寬，整體結(jié)構(gòu)由約4000個(gè)碳原子組成，這些碳原子以石墨狀的薄片連接在一起。碳納米泡沫有著負(fù)曲率，這是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)在規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)中夾雜了七邊形結(jié)構(gòu)。這與C??的情況正好相反，在C??中，規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)中夾雜了五邊形結(jié)構(gòu)而得到正曲率。

碳納米泡沫的結(jié)構(gòu)與氣凝膠相似，但其密度僅為先前生產(chǎn)的碳?xì)饽z密度的1%，僅為海平面空氣密度的幾倍。但與碳?xì)饽z不同，碳納米泡沫是一種不良的導(dǎo)電體。

⑧碳化物衍生碳

碳化物衍生碳是一系列新形碳材料，其中碳原子采用sp3和sp2的混合雜化方式，碳化物衍生碳具有與常見(jiàn)碳單質(zhì)不同的表面幾何形狀和碳原子排序。碳化物衍生碳是從金屬碳化物前體中選擇性地去除金屬得到的，常用的金屬碳化物有碳化鈦、鈦碳化鋁、碳化鉬等。該合成可通過(guò)氯處理、水熱合成或高溫真空下金屬選擇性解吸來(lái)完成。碳化物衍生碳具有高孔隙率和高表面積比，具有可高度調(diào)節(jié)的孔徑，是有著廣泛前景的材料。碳化物衍生碳可用于超級(jí)電容器儲(chǔ)能、水溶液的過(guò)濾、電容脫鹽、催化劑載體、細(xì)胞因子去除等等方面。

⑨藍(lán)絲黛爾石(也稱六方金剛石)

藍(lán)絲黛爾石是碳的一種同素異形體，它有著六角形的金剛石結(jié)構(gòu)，由sp3雜化的碳原子構(gòu)成，被認(rèn)為是由隕石中的石墨撞擊地球形成的。巨大的熱量和沖擊力將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，但卻保留了石墨的六角形晶格。目前在實(shí)驗(yàn)室中也通過(guò)在靜壓機(jī)中或使用炸藥壓縮和加熱石墨來(lái)合成藍(lán)絲黛爾石。藍(lán)絲黛爾石也可通過(guò)聚碳炔氫在惰性氣體氣氛（例如氬氣，氮?dú)猓┫聫?10度開(kāi)始逐漸加熱至1000度進(jìn)行熱分解合成。藍(lán)絲黛爾石較低的硬度主要原因是其類金剛石結(jié)構(gòu)不完整所致。

⑩直鏈乙炔碳

直鏈乙炔碳，也稱線性卡拜或線型碳，是碳的一種同素異形體。直鏈乙炔碳中每個(gè)碳都是sp雜化，有著單鍵和三鍵交替的結(jié)構(gòu)。直鏈乙炔碳是很好的納米材料，它的楊氏模量是已知天然最硬材料金剛石的40倍。目前在星際空間中也觀測(cè)到直鏈乙炔碳的身影。

?其他可能存在的各種形式的碳同素異形體

Ⅰ：D-碳

D-碳是一種由理論化學(xué)家在2018年提出的碳單質(zhì)。D-碳是正交晶體，每個(gè)晶胞6個(gè)碳原子，它們以sp3雜化的方式形成?？偰芰坑?jì)算表明，D-碳的結(jié)構(gòu)比先前提出的T6結(jié)構(gòu)在能量上處于更有利的狀態(tài)。

Ⅱ：趙氏碳(也稱白碳)

趙氏碳是一種被認(rèn)為是在隕石撞擊中形成的礦物。它被描述為比一種石墨稍硬有著灰色至白色的漸變顏色的物質(zhì)。趙氏碳的電子衍射圖案表明其具有碳炔樣的結(jié)構(gòu)，與直鏈乙炔碳有一定程度的相似。但后來(lái)報(bào)道稱趙氏碳是否存在是有爭(zhēng)議的，衍射圖中的反射是由粘土雜質(zhì)引起的。

Ⅲ：金屬碳

理論研究表明，在相圖中850GPa及7500K以上的條件下，BC8(碳族元素如硅、鍺等在高溫下形成的亞穩(wěn)定相態(tài))狀態(tài)的碳可能具有金屬特征。

Ⅳ：體心立方碳

在超過(guò)1000GPa的超高壓下，金剛石會(huì)轉(zhuǎn)變成一種體心立方結(jié)構(gòu)的碳，其晶胞中含有8個(gè)碳原子，化學(xué)式為C?。這種體心立方碳可能在天體物理學(xué)中具有重要意義。體心立方碳的結(jié)構(gòu)與立方烷相類似，并且也在硅的一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)相中發(fā)現(xiàn)。其他與體心立方碳類似的超硬材料也已有正式合成的記錄，而最近碳方鈉石也被合成了出來(lái)。

Ⅴ：體心四方碳

理論化學(xué)家在2010年提出了體心四方碳，它是在室溫和超過(guò)18.6GPa的高壓下由石墨制成的超硬材料。體心四方碳是一種無(wú)色透明的新型sp3雜化的碳單質(zhì)，有著非凡的結(jié)構(gòu)特性和振動(dòng)特性。體心四方碳的垂直切片結(jié)構(gòu)是六邊形的，而平行切片結(jié)構(gòu)是四方形的。

Ⅵ：M-碳

M-碳最早認(rèn)為是在1963年室溫下壓縮石墨而產(chǎn)生的。M-碳的結(jié)構(gòu)在2006提出正式的理論構(gòu)想，并在2009年的實(shí)驗(yàn)中觀察到。在實(shí)驗(yàn)中原本提出了許多結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)候選物，包括體心立方碳、體心四方碳等等，直到2012年，理論上證明M-碳的這種結(jié)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)上最有可能形成。不久之后又出現(xiàn)了高分辨率的分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，最終表明在所有結(jié)構(gòu)的候選物中只有M-碳與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為接近。

Ⅶ：Q-碳

Q-碳是一種在2015年發(fā)現(xiàn)的鐵磁性的碳。快速淬火動(dòng)力學(xué)研究表明，將處于三相點(diǎn)的碳快速轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下可形成超過(guò)冷碳，通過(guò)高功率納秒激光脈沖將超過(guò)冷狀態(tài)淬火即可形成Q-碳。Q-碳的質(zhì)量密度高于無(wú)定形碳，并且主要（75％-85％）是sp3雜化的碳原子，其余為sp2雜化的碳原子。預(yù)計(jì)它具有更好的機(jī)械硬度、導(dǎo)電性和一些罕見(jiàn)的碳單質(zhì)物理特性，包括室溫鐵磁性和增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)射的能力。估計(jì)Q-碳的居里溫度約為500K。

Ⅷ：T-碳

T-碳是金剛石中的每個(gè)碳原子被碳四面體取代形成的碳單質(zhì)。T-碳于1985年由理論化學(xué)家提出。T-碳產(chǎn)生兩個(gè)鍵和一個(gè)反鍵軌道，T-碳會(huì)存在奇數(shù)的反鍵相互作用。這種結(jié)構(gòu)也被稱為莫比烏斯-3環(huán)。

Ⅸ：白矮星碳

有證據(jù)表明，白矮星的核心是結(jié)晶的碳和氧原子核。BPM 37093是迄今為止在宇宙中發(fā)現(xiàn)的含碳晶體最多的白矮星。BPM 37093位于半人馬座距地球約53光年，它屬于DAV型脈動(dòng)白矮星，即鯨魚(yú)座ZZ型變星。據(jù)推測(cè)，BPM 37093內(nèi)部含有約5×102?千克的碳晶體?？茖W(xué)家認(rèn)為白矮星內(nèi)部的溫度和壓力會(huì)導(dǎo)致碳以體心立方晶格的形式構(gòu)成晶體，其周圍還會(huì)被費(fèi)米電子海所包圍。

Ⅹ：棱晶碳

棱晶碳是理論預(yù)測(cè)的亞穩(wěn)態(tài)碳同素異形體，化學(xué)式為C?。棱晶碳是由8個(gè)碳原子的原子團(tuán)簇為基本單元形成的，其形狀是由在上下方有兩個(gè)以上的原子的六原子三角形棱柱延長(zhǎng)成的三角形雙錐體。

Ⅺ：萊夫斯圖碳(也稱K?晶體)

萊夫斯圖是一種理論預(yù)測(cè)的三維晶體亞穩(wěn)態(tài)碳結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)碳原子以類似石墨的120°角與另外三個(gè)碳原子鍵合，但相鄰層的鍵合面成70.5°的一定角度，而不是重合，這樣可以形成具有手征對(duì)稱性的三維結(jié)構(gòu)。

Ⅻ：五邊石墨烯

五邊石墨烯是一種碳同素異形體，其完全由五邊形的碳結(jié)構(gòu)組成，類似于開(kāi)羅五邊形鑲嵌。2014年，科學(xué)家根據(jù)理論分析與模擬正式提出了五邊石墨烯。進(jìn)一步的計(jì)算表明，純凈形式的五邊石墨烯并不穩(wěn)定，但可通過(guò)氫化變得更加穩(wěn)定。由于其原子結(jié)構(gòu)，五邊石墨烯具有異常低的泊松比，并且理論上還會(huì)有著非常高的理想強(qiáng)度，甚至可以超過(guò)普通的石墨烯。

五邊石墨烯含有sp2和sp3雜化的碳原子。與普通石墨烯的良好導(dǎo)電性不同，五邊石墨烯是一種絕緣體，其間接帶隙為4.1-4.3eV。五邊石墨烯的氫化形式為五邊石墨烷，它具有類似鉆石的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有sp2雜化的碳原子，因此它有著比五邊石墨烯具更寬的間接帶隙（約5.8eV）?？茖W(xué)家目前也已開(kāi)始研究手性五邊石墨烯納米管，其也可能成為碳的新亞穩(wěn)態(tài)同素異形體。

ⅩⅢ：?？藸柼?/p>

海克爾碳是由多種多邊形的碳單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性有序排列產(chǎn)生的三維的碳原子網(wǎng)絡(luò)，它可以是扁平的也可以是管狀的。?？藸柼甲畛跤捎?000年提出，目前尚未在實(shí)驗(yàn)室中合成，但已經(jīng)成為大量理論工作的主題。

ⅩⅣ：五六七石墨烯

五六七石墨烯是由五元碳環(huán)、六元碳環(huán)及七元碳環(huán)組成的石墨烯同素異形體。五六七石墨烯是在2015年基于系統(tǒng)進(jìn)化結(jié)構(gòu)探索模擬而提出的。理論研究表明，五六七石墨烯不僅具有動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性，而且還具有扭曲的狄拉克椎。這些方向相關(guān)錐體對(duì)外部可調(diào)節(jié)費(fèi)米速度的應(yīng)變有很強(qiáng)的抗變換性。

另一種碳同素異形體?？藸柼纪瑯涌捎啥喾N多邊形組成?？茖W(xué)家早在2000年就提出了?？藸柼既N類型（矩形，傾斜和六邊形），?？藸柼枷啾任辶呤┯兄叩哪芰俊Ａ硗?，相比五六七石墨烯，?？藸柼季哂幸欢ǖ慕饘偬匦?。

五六七石墨烯預(yù)計(jì)有著193.2千卡/摩爾的勢(shì)能。鍵級(jí)為1.33，與石墨烯大致相同。

ⅩⅤ：新星烯

新星烯是由sp3雜化的六方金剛石和一些sp2雜化的碳環(huán)共同組成的。由于六方金剛石是絕緣體，而sp2雜化的碳環(huán)具有離域的電子可作為導(dǎo)體，因此這些預(yù)測(cè)材料在晶體管和半導(dǎo)體等電子元件中具有潛在的應(yīng)用前景。根據(jù)分析其結(jié)構(gòu)和電子特性，理論上可以新星烯為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)百種不同的碳同素異形體。

ⅩⅥ：原生烯

原生烯是由六角形的松散碳原子組成。它的晶胞包含48個(gè)碳原子。其中有12個(gè)碳原子會(huì)在sp3和sp2雜化間切換組成，并形成二聚體結(jié)構(gòu)。通過(guò)密度泛函理論模擬，科學(xué)家最終確定了原生烯的平衡結(jié)構(gòu)，并估計(jì)其束縛能比金剛石少2%。此外，科學(xué)家還根據(jù)X射線衍射圖估計(jì)了其直接帶隙的強(qiáng)度約為3eV。原生烯擁有與氮化鎵類似的半導(dǎo)體特性，這使得其能夠應(yīng)用于具有高擊穿電壓的高頻電子組件。

ⅩⅦ：環(huán)狀碳

環(huán)狀碳是僅由n個(gè)碳原子組成的碳單質(zhì)，其通過(guò)連續(xù)的共價(jià)鍵在環(huán)中連接。由于該化合物僅由碳原子組成，因此被認(rèn)為是一種碳的同素異形體。如果n是偶數(shù)，則存在兩種結(jié)構(gòu)，一種是單鍵和三鍵之間交替形成的環(huán)狀多炔，另一種是全部由雙鍵組成的環(huán)狀多烯。如果n是奇數(shù)，則只存在由雙鍵組成的環(huán)狀多烯的這一種情況。

理論上最簡(jiǎn)單的環(huán)狀碳是環(huán)丙三烯，這是一種假想的碳同素異形體，曾被認(rèn)為是光譜上觀察到的三原子碳。

環(huán)己三炔也被稱為苯三炔，分子式為C?，這也是一種假想的碳同素異形體。目前已經(jīng)有科學(xué)家開(kāi)始著手研究合成苯三炔的方法，例如裂解苯六甲酸酐。但截止至2011年，尚未有人合成成功。最近的調(diào)查得出的結(jié)論稱，由于過(guò)大的角張力，苯三炔是不可能存在的。一種名為環(huán)己六烯的環(huán)狀累積多烯烴可能是苯三炔的一種亞穩(wěn)態(tài)異構(gòu)體。

根據(jù)理論計(jì)算模擬預(yù)測(cè)熱力學(xué)穩(wěn)定的最小環(huán)狀碳為C??，理論計(jì)算的應(yīng)變能為72千卡/摩爾。

2.?同位素

碳同位素是含有六個(gè)質(zhì)子和多個(gè)中子（2-16個(gè)）的同位素。碳具有兩種穩(wěn)定的天然存在的同位素，碳-12和碳-13。地球上穩(wěn)定的碳中98.93％都是碳-12，而碳-13只占剩余的1.07％。在生物中碳-12的濃度會(huì)進(jìn)一步增加，因?yàn)樯矬w中的生化反應(yīng)會(huì)選擇性排除碳-13。國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)采用碳-12作為相對(duì)原子量的基礎(chǔ)。利用碳-13可在核磁共振實(shí)驗(yàn)中對(duì)碳進(jìn)行鑒定。

碳-14是一種天然存在的放射性同位素，是由高層大氣中的氮與宇宙射線發(fā)生相互作用產(chǎn)生的。地球僅存在痕量的碳-14，濃度為萬(wàn)億分之一或更多，主要會(huì)存在于大氣和一些地表沉積物，如泥炭或其他有機(jī)物質(zhì)。碳-14會(huì)進(jìn)行能量為0.158MeV的β?衰變。由于碳-14的半衰期相對(duì)較短只有5730年，因此古代巖石中幾乎沒(méi)有碳-14。大氣和生物體內(nèi)碳-14的含量幾乎是恒定的，但在死亡后它會(huì)開(kāi)始減少。根據(jù)碳-14可以測(cè)定高達(dá)約40000年的含碳材料的年齡。

碳有15種已知的碳同位素，壽命最短的是碳-8，它會(huì)進(jìn)行質(zhì)子發(fā)射和α衰變，半衰期為1.98739×10?21秒。碳-19具有核暈效應(yīng)，這意味著它的半徑將明顯大于預(yù)期核密度半徑。

3.?存量

碳在全宇宙各元素中總質(zhì)量排列第四，位于氫、氦和氧之后。碳大量存在于彗星、大部分行星大氣層、太陽(yáng)以及其他恒星中。一些隕石含有太陽(yáng)系還處于原行星盤時(shí)所遺留下來(lái)的微鉆石。隕石撞擊時(shí)的巨大溫度和壓力也會(huì)在撞擊坑處形成微鉆石。

宇宙中超過(guò)20％的碳可能以多環(huán)芳烴和復(fù)雜碳?xì)涞幕衔锎嬖?。在多環(huán)芳香族烴世界假說(shuō)中，被認(rèn)為與生物的形成有很大作用。在大爆炸之后，多環(huán)芳烴似乎已形成“幾十億年”，在宇宙中廣泛存在，并與新的恒星和系外行星有關(guān)。

據(jù)估計(jì)，地球整體固體土壤碳含量為730ppm，地心為2000ppm，地幔和地殼為120ppm。地球的質(zhì)量為5.972×102?千克，這意味地下存在著4.36×101?噸的碳。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)海洋或大氣中的碳含量。

碳與氧會(huì)結(jié)合成二氧化碳，大量存在于地球大氣中，還有一些溶解在所有水體中。整個(gè)生物圈共含有約1.9萬(wàn)億噸碳。碳?xì)浠衔锿瑯雍刑迹好旱V儲(chǔ)備共有約9000億噸碳，石油儲(chǔ)備有約1500億噸碳，而天然氣則有約1050億噸碳，但仍不包括頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣源。碳也封存在地球兩極和海底的甲烷水合物中，碳含量估計(jì)共有5千億至2萬(wàn)5千億噸，另有研究估計(jì)含量為3萬(wàn)億噸。過(guò)去的碳?xì)浠衔锖勘冉裉煲唷?751年至2008年有大約3470億噸碳在化石燃料燃燒過(guò)程中以二氧化碳的形式釋放到大氣層中。

碳酸鹽巖石中含有大量的碳。最大的碳礦石來(lái)源是煤，占化石燃料的80%。

宇宙射線會(huì)在海拔9至15公里的對(duì)流層和平流層處產(chǎn)生碳-14。這一反應(yīng)中，熱中子撞擊氮-14原子核，形成碳-14原子核及一顆質(zhì)子。因此，大氣二氧化碳中含有1.5％×10?1o的碳-14。

在我們的太陽(yáng)系中，在小行星帶外部的小行星富有更多的碳，但這些小行星尚未被科學(xué)家直接采樣。理論上，在未來(lái)前往這些小行星可進(jìn)行碳開(kāi)采，但目前在技術(shù)上是不可能的。

4.恒星中的碳形成

簡(jiǎn)略介紹，詳情可以去看我寫的專欄cv1863400

質(zhì)量較大的恒星可以發(fā)生三氦過(guò)程形成碳原子核。該過(guò)程需要三個(gè)α粒子幾乎同時(shí)碰撞，這是因?yàn)楹づc氫或另一個(gè)氦核的進(jìn)一步核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物分別產(chǎn)生鋰-5和鈹-8，這兩者都非常不穩(wěn)定并且?guī)缀跛プ兯查g變回更小的原子核。三氦過(guò)程需要超過(guò)1億K的溫度，由于早期宇宙會(huì)快速膨脹和冷卻，因此在大爆炸期間沒(méi)有產(chǎn)生顯著的碳。

根據(jù)目前的物理宇宙學(xué)理論，碳會(huì)在赫羅圖水平分支上的恒星內(nèi)部形成。當(dāng)更大質(zhì)量的恒星在發(fā)生超新星死亡時(shí)，碳會(huì)像塵埃一樣被噴散到太空中。這種塵埃會(huì)成為下一代恒星系統(tǒng)形成的組成部分。太陽(yáng)系屬于第三代恒星系統(tǒng)，因此地球生物所賴以為生的碳元素，最初也是在巨大恒星的內(nèi)部合成的。另外，通過(guò)碳氮氧循環(huán)過(guò)程，碳作為聚變反應(yīng)的催化劑，為恒星提供了絕大部分的能量。

亞毫米波天文學(xué)能夠探測(cè)到含不同碳同位素的一氧化碳間的循環(huán)轉(zhuǎn)換（12CO、13CO、C1?O），這可用于研究分子云中剛剛形成的恒星。

5.碳循環(huán)

在地球上并不容易發(fā)生元素間的轉(zhuǎn)變，因此地球上的碳基本上是守恒的。任何使用到碳的物理及化學(xué)過(guò)程都必須從一處取得碳，并在過(guò)程后轉(zhuǎn)移到另一處。環(huán)境中碳所遵循的路徑稱為碳循環(huán)。植物從周圍環(huán)境中吸取二氧化碳，用以增加自身質(zhì)量。動(dòng)物可能會(huì)進(jìn)食一部分植物體，并再以二氧化碳把碳還原到環(huán)境中。整個(gè)碳循環(huán)實(shí)際上復(fù)雜得多，比如一些二氧化碳會(huì)溶解在海洋中，動(dòng)植物死亡后也會(huì)成為石油或煤，再經(jīng)焚燒把碳還原到大氣中。

碳循環(huán)是一種生物地質(zhì)化學(xué)循環(huán)，指碳元素在地球上的生物圈、巖石圈、土壤圈、水圈及大氣中交換。碳的主要來(lái)源有四個(gè)，分別是大氣、陸上的生物圈、海洋及沉積物。與氮循環(huán)和水循環(huán)一起，碳循環(huán)包含了一系列使地球能持續(xù)存在生命的關(guān)鍵過(guò)程和事件。碳循環(huán)描述了碳元素在地球上的回收和重復(fù)利用，包括碳沉淀。

全球碳循環(huán)通常分為以下幾大儲(chǔ)集池的碳相互關(guān)聯(lián)的途徑交換：大氣、陸地生物圈、海洋、沉積物、地球的內(nèi)部。

碳儲(chǔ)集之間的交流發(fā)生是各種化學(xué)，物理，地質(zhì)和生物過(guò)程的結(jié)果。海洋是包含最大的地球的表面附近的碳的活躍儲(chǔ)集池。

從大氣中減少二氧化碳有以下方式：植物光合作用、動(dòng)物食用植物、化石燃料形成、海洋有殼動(dòng)物制造外殼、雨水結(jié)合、鐘乳石形成。

而經(jīng)以下過(guò)程二氧化碳會(huì)重新回歸到大氣中：生物呼吸作用、微生物分解作用、化石燃料燃燒、海洋有殼動(dòng)物死亡、酸雨腐蝕巖石。

二、碳化合物

碳化合物是含碳的化學(xué)物質(zhì)。通常狀況下，有機(jī)碳化合物比無(wú)機(jī)碳化合物要多得多。碳與其他元素的鍵一般都是共價(jià)鍵。碳最重要的特性是其可以連接形成長(zhǎng)碳鏈和環(huán)。碳一般是四價(jià)的，一般的四價(jià)碳化合物比較穩(wěn)定，但碳有時(shí)會(huì)在自由基、卡賓、碳離子等短壽命的中間體中出現(xiàn)其他價(jià)態(tài)。

1.?有機(jī)化合物

有機(jī)這里只是大概介紹一下，有機(jī)本身的內(nèi)容實(shí)在是太多，甚至可以作為一個(gè)專門的學(xué)科。

碳能夠形成串連的碳碳鍵，形成很長(zhǎng)的分子鏈，這種特性叫做成鏈。碳-碳鍵比較穩(wěn)定。因此，碳可以形成幾乎無(wú)限種不同的化合物。其實(shí)，碳化合物的數(shù)量比其他所有元素的化合物加起來(lái)還要多。

最簡(jiǎn)單的有機(jī)分子是碳?xì)浠衔?。這些化合物以一條碳鏈為主干，并有氫原子鍵合在碳鏈上。鏈長(zhǎng)、支鏈及官能團(tuán)等都會(huì)影響有機(jī)化合物的物理及化學(xué)特性。烴中的氫也可以被一些雜原子取代，常見(jiàn)雜原子包括氧，氮，硫，磷和非放射性鹵素，以及某些金屬。含有金屬鍵的有機(jī)化合物稱為有機(jī)金屬化合物。某些原子團(tuán)會(huì)大量在有機(jī)化合物中重復(fù)出現(xiàn)。這些原子團(tuán)稱為官能團(tuán)，它可以賦予衍生物一些特定的性質(zhì)，并可以據(jù)此對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行系統(tǒng)研究和分類。

幾乎所有穩(wěn)定的有機(jī)化合物中的碳都遵循八隅體規(guī)則并且都是四價(jià)的，這意味著碳原子形成總共四個(gè)共價(jià)鍵。

所有生物體中都含有碳，并以碳作為有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)。碳?xì)浠衔镌诠I(yè)上可用作制冷劑、潤(rùn)滑劑、溶劑、塑料的制造原料、化石燃料等等。

碳與氧和氫結(jié)合后，會(huì)形成眾多必不可少的生物化合物，包括糖、木酯素、甲殼素、醇、脂、酯、類胡蘿卜素、萜烯等等。碳與氮結(jié)合會(huì)形成生物堿，再加上硫后會(huì)形成抗生素、氨基酸及橡膠等等。最后加入磷，會(huì)形成生命所需的化學(xué)編碼分子DNA及RNA，以及生物細(xì)胞用以傳遞能量的三磷酸腺苷。

2.?無(wú)機(jī)化合物

①碳化物

在化學(xué)中，碳化物指的是由碳和電負(fù)性更低的元素組成的化合物。常見(jiàn)實(shí)例有碳化鈣、碳化三鐵、碳化鎢等等。碳化物通?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)鍵類型分為如下幾類：

Ⅰ：鹽類碳化物

鹽類碳化物由低電負(fù)性元素組成，如堿金屬，堿土金屬和一些第3族金屬等。鋁可以形成鹽類碳化物，但鎵、銦和*不會(huì)形成鹽類碳化物。常見(jiàn)鹽類碳化物可分為以下幾類：

甲烷碳化物：

這類碳化物會(huì)水解產(chǎn)生甲烷。常見(jiàn)的例子有碳化鋁、碳化鈹?shù)?/p>

過(guò)渡金屬碳化物不是鹽類碳化物，某些過(guò)渡金屬碳化物雖然也可與水反應(yīng)，但會(huì)非常緩慢且常被忽略。

炔化物：

炔化物是炔類陰離子的鹽，其中的碳原子之間含有三鍵，水解會(huì)產(chǎn)生乙炔。堿金屬，堿土金屬和鑭系元素會(huì)形成乙炔化物，例如碳化鈉、碳化鈣和碳化鑭(LaC?)。鑭系元素也形成化學(xué)式為M?C?的碳化物，有時(shí)也會(huì)被稱為炔化物衍生物。第11族的金屬也傾向于形成炔化物，如碳化亞銅和碳化銀。

鑭系元素炔化物的碳碳鍵長(zhǎng)比常見(jiàn)的堿金屬或堿土金屬炔化物碳碳更長(zhǎng)，其中額外的電子會(huì)離域進(jìn)入碳原子的反鍵軌道。

倍半碳化物(也稱烯丙碳化物)：

這種碳化物含有C???離子，水解會(huì)產(chǎn)生丙炔和丙二烯。常見(jiàn)的這種類型的化合物有Li?C?和Mg?C?。這種離子是線性的，與二氧化碳互為等電子體。Mg?C?中的碳碳鍵長(zhǎng)為133.2pm。

Ⅱ：共價(jià)碳化物

盡管幾乎所有碳化物都表現(xiàn)出一些共價(jià)特征，但只有一些非金屬的碳化物被稱為共價(jià)碳化物，如碳化硅和碳化硼。碳化硅具有兩種相似的晶形，它們都與金剛石結(jié)構(gòu)類似。而碳化硼(B?C)卻具有不尋常的結(jié)構(gòu)，其具有由碳原子連接的二十面體硼單元，與硼化物的結(jié)構(gòu)有一定相似之處。碳化硅和碳化硼都是非常堅(jiān)硬的耐火材料，在工業(yè)上有重要用途。硼也可以形成其他共價(jià)碳化物，如B??C。

Ⅲ：間隙碳化物

第4、5和6族過(guò)渡金屬的碳化物通常被稱為間隙碳化物。這些碳化物具有一定金屬性質(zhì)可作為耐火材料。碳化鉿與碳化鉭的混合物甚至是已知熔點(diǎn)最高的物質(zhì)。當(dāng)金屬原子半徑大于約135pm時(shí)，碳原子與緊密堆積的金屬晶格中的八面體空隙相符：

當(dāng)金屬原子體心立方密堆積時(shí)，碳原子會(huì)填充所有八面體空隙，達(dá)到1：1的化學(xué)計(jì)量比。

當(dāng)金屬原子是六方密堆積時(shí)，由于八面體空隙在金屬原子層的任一側(cè)上彼此直接相對(duì)，因此僅用碳填充這些中的一個(gè)，達(dá)到2：1的化學(xué)計(jì)量比。

由于碳化物中金屬原子晶格的堆積與金屬本身的堆積不同，碳原子本身適合對(duì)金屬晶格的八面體空隙進(jìn)行密堆積。

Ⅳ：中間過(guò)渡金屬碳化物

當(dāng)過(guò)渡金屬離子小于臨界值135pm時(shí)，碳化物并不會(huì)形成間隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，可能會(huì)有多種不常見(jiàn)的化學(xué)計(jì)比，例如，鐵可以形成許多碳化物，包括Fe?C，F(xiàn)e?C?和Fe?C等。其中最著名的是滲碳體Fe?C，它廣泛存在于合金中。這些中間過(guò)渡金屬碳化物比間隙碳化物更具反應(yīng)性，比如，鉻，錳，鐵，鈷和鎳的碳化物都可被稀酸水解，有的甚至能被水水解，并產(chǎn)生烴。相比間隙碳化物，它們與鹽類碳化物更加相似。

Ⅴ：分子絡(luò)合碳化物

含有碳的金屬配合物稱為金屬絡(luò)合碳化物。最常見(jiàn)的是以碳為中心的八面體簇。

Ⅵ：假想碳化物

某些金屬，如鉛、錫等，被認(rèn)為在任何情況下都不會(huì)形成碳化物。然而在其他金屬原子的幫助下可能形成一些多金屬碳化物，曾有報(bào)道存在一個(gè)混合鈦錫的碳化物，這是一種二維的導(dǎo)體。

Ⅶ：相關(guān)的其他碳化物

石墨層間化合物：又稱石墨插層化合物，是由帶正電或負(fù)電的離子插入被氧化或還原的石墨層間后形成的具有二維層狀結(jié)構(gòu)的化合物。

富勒烯化合物：這是一種含有富勒烯陰離子的化合物。C??和C??最容易形成富勒烯陰離子。這種離子可能存在著多種不同電荷，如[C??]n-（n=1,2...6），并且?guī)缀跛械母焕障┒伎梢赞D(zhuǎn)化為陰離子。最常見(jiàn)的衍生物是含有堿金屬的富勒烯化合物，一般都是通過(guò)其他有機(jī)物制備。

內(nèi)生富勒烯化合物：將附加的原子或團(tuán)簇置入富勒烯內(nèi)部即可形成內(nèi)生富勒烯化合物。主要分為內(nèi)生金屬富勒烯和內(nèi)生非金屬富勒烯。

金屬碳籠碳化物：由碳原子團(tuán)簇與金屬形成的籠狀碳化物，這類碳化物的通式為M?C??，其中M是過(guò)渡金屬，如鈦，鋯，釩等。

可調(diào)諧納米多孔碳：也稱碳化物衍生碳，是將金屬碳化物中的某些金屬分子去除得到的高度多孔，純凈的碳材料，能夠高密度儲(chǔ)存能量。

過(guò)渡金屬卡賓配合物：可用通式LnM=CR?表示，它在形式上含有M=C雙鍵。自由狀態(tài)的卡賓:CR?由于碳原子的形式氧化態(tài)為+2價(jià)，碳原子周圍只有6個(gè)價(jià)電子因而異常活潑，壽命極短，它們是許多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的中間體，僅有少數(shù)幾例可以分離得到。雖然卡賓不能直接和金屬反應(yīng)，但卡賓能和金屬結(jié)合形成配合物而穩(wěn)定。

二維過(guò)渡金屬碳化物：也稱MXene，是由幾個(gè)原子層厚度的過(guò)渡金屬碳化物等結(jié)構(gòu)組成的化合物。它最初于2011年報(bào)道，可能有著過(guò)渡金屬碳化物的金屬導(dǎo)電性。

②碳氧化合物

最簡(jiǎn)單的碳氧化合物是碳氧化物，其中以一氧化碳和二氧化碳是最為常見(jiàn)。

一氧化碳與二氧化碳：

一氧化碳是一種無(wú)色，無(wú)味的氣體，其密度略低于空氣。一氧化碳可與血紅蛋白會(huì)結(jié)合成碳氧血紅蛋白，阻止氧氣的轉(zhuǎn)運(yùn)造成缺氧。一氧化碳由一個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子組成，通過(guò)由兩個(gè)共價(jià)鍵及一個(gè)配位共價(jià)鍵以三鍵連接。一氧化碳與其他具有十價(jià)電子的三重鍵合雙原子分子互為等電子體，如氰離子，亞硝酰離子和氮?dú)夥肿?。工業(yè)上有很多合成一氧化碳方法，如鮑多爾德平衡反應(yīng)，水煤氣及碳還原金屬氧化物等等。實(shí)驗(yàn)室會(huì)通過(guò)甲酸脫水，鋅粉碳酸鈣共熱，硝酸銀和碘仿，草酸鹽分解等等反應(yīng)制取。在配位絡(luò)合物中，一氧化碳作為的配體被稱為羰基。許多金屬或金屬氧化物會(huì)和一氧化碳反應(yīng)生成金屬羰基配合物。它們可以發(fā)生羰基取代，某些還原反應(yīng)及某些親核試劑反應(yīng)。硫也可以和碳形成類似的一硫化碳，由二硫化碳放電分解或與低濃度氫氣還原可得。

二氧化碳是最常見(jiàn)的碳氧化物，常壓下為無(wú)色、無(wú)味、不助燃、不可燃的溫室氣體。二氧化碳分子為sp雜化，形成直線構(gòu)型。植物會(huì)進(jìn)行光合作用消耗二氧化碳，但由于人為排放增加，二氧化碳含量逐年升高。二氧化碳可用于食物防腐、飲料、滅火器等等方面。二氧化碳溶于水會(huì)生成碳酸，碳酸可以形成多種鹽類，廣泛應(yīng)用于生活與工業(yè)中，某些條件下碳酸鹽可以多聚形成重碳酸鹽或三碳酸鹽。其他16族元素也可以與碳形成二元化合物，它們可用作溶劑，多種非金屬也可同時(shí)與碳形成化合物，如羰基硫。

除了這兩種為人熟知的無(wú)機(jī)物，碳與氧其實(shí)還能構(gòu)成許多穩(wěn)定或不穩(wěn)定的碳氧化物，但在現(xiàn)實(shí)生活中很難接觸到其他碳氧化物，如二氧化三碳、苯六甲酸酐(C??O?)等。

在1830年發(fā)現(xiàn)苯六甲酸酐和1873年發(fā)現(xiàn)二氧化三碳后，已有數(shù)十種碳氧化物被人們發(fā)現(xiàn)，大部分是在20世紀(jì)60年代人工合成的。這些碳氧化物有的在室溫下是穩(wěn)定的，有的卻即使在超低溫環(huán)境中也會(huì)迅速分解為較簡(jiǎn)單的其他碳氧化物。一部分壽命極短的亞穩(wěn)態(tài)碳氧化物是作為化學(xué)反應(yīng)的中間體出現(xiàn)而被觀測(cè)到的，這類碳氧化物的化學(xué)性質(zhì)十分活躍，以至于常常只能在氣相中或基質(zhì)隔離下短暫存在。

新碳氧化物的合成量至今仍有不斷上升的趨勢(shì)。氧化石墨烯以及具有可變結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定碳氧化物聚合物的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明在這個(gè)領(lǐng)域還有許多未知等待人們探索。

許多只能在極端條件下被探測(cè)到的不穩(wěn)定的或處于亞穩(wěn)態(tài)的碳氧化物包括：一氧化二碳自由基（:C=C=O）、三氧化碳、四氧化碳、五氧化碳、六氧化碳以及1,2-二氧雜環(huán)丁烷二酮等。這些活躍的碳氧化物中一部分是利用轉(zhuǎn)動(dòng)光譜在星際介質(zhì)內(nèi)的分子云中發(fā)現(xiàn)的。

此外，還有眾多未被發(fā)現(xiàn)的假想碳氧化物已經(jīng)從理論途徑開(kāi)始被研究。例如乙二酸酐、乙烯二酮、一氧化碳的線形或環(huán)狀寡聚物（也稱為“聚酮”，(-CO-)n），以及二氧化碳的線形或環(huán)狀寡聚物【(-CO?-)n，如等二聚體1,3-二氧雜環(huán)丁烷二酮和三聚體1,3,5-三氧雜環(huán)己烷三酮等】。

雖然氧元素在含氧化合物中一般只呈固定的負(fù)二價(jià)，只能通過(guò)共價(jià)鍵與最多兩個(gè)原子相連，且?guī)缀醪淮嬖谝猿^(guò)三個(gè)相連的氧原子形成的鏈狀化合物，過(guò)但碳原子最多能與四個(gè)原子相連，以碳鏈為骨架可以形成眾多鏈狀或網(wǎng)狀的高分子化合物。因此，碳與氧其實(shí)是能構(gòu)組成許多以碳鏈為骨架的電中性分子的。這些分子中的碳原子可能呈線型排列或圍成脂環(huán)或苯環(huán)，而氧原子則以形成兩個(gè)單鍵、一個(gè)雙鍵或相連形成過(guò)氧基的形式參與形成化合物。

碳氧化物中有許多是不飽和化合物，例如一氧化二碳等，但這些化合物的化學(xué)性質(zhì)都十分活躍，難以大量合成。碳氧化合物分子得失電子時(shí)，其中的氧原子可能會(huì)變?yōu)橐粌r(jià)的－O?或三價(jià)的≡O(shè)+，而其中的碳原子則會(huì)變?yōu)槿齼r(jià)的≡C?。后二者已在一氧化碳中被發(fā)現(xiàn)——-C≡O(shè)+。帶負(fù)電荷的氧原子一般出現(xiàn)在碳氧陰離子中。

線形二氧化多碳：

二氧化多碳是碳氧化物中的一類，這類化合物的通式為CnO?或O＝(C＝)nO。這類碳氧化物的共同點(diǎn)是碳原子連成直線形的鏈，而兩個(gè)氧原子分別連在碳鏈的兩端。這類碳氧化物的成員包括：

CO?，二氧化碳。

C?O?，極不穩(wěn)定的乙烯二酮。

C?O?，亞穩(wěn)的二氧化三碳；

C?O?，二氧化四碳（1,2,3-丁三烯-1,4-二酮）。

C?O?，二氧化五碳，在室溫下的溶液中能保持穩(wěn)定。

這類碳氧化物中一些更高級(jí)的成員也已在低壓氣相和/或低溫基質(zhì)中被痕量地探測(cè)到了，尤其是通式中n=7和n=17、19及21的二氧化多碳。

線形一氧化多碳：

一氧化多碳是另一類碳氧化物，它們分子式的通式為CnO或(C=)n=O。這類碳氧化物的第一個(gè)成員——CO，可能是唯一一個(gè)能在室溫下以純凈物的形態(tài)存在的。在低溫基質(zhì)中光解直線型二氧化多碳能使這些化合物失去一個(gè)羰基，在這種條件下反應(yīng)可以制備達(dá)到可被檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)的量的含有偶數(shù)個(gè)碳原子的一氧化多碳（如C?O、C?O、和C?O等）。通式中直到n=9的直線型一氧化多碳分子都已通過(guò)向由氬氣稀釋的氣態(tài)二氧化三碳放電合成了。一氧化碳、一氧化二碳、一氧化三碳(C?O)都在星際空間中檢測(cè)到了。

當(dāng)通式中的n是偶數(shù)時(shí)，這類化合物的分子被認(rèn)為在其三重態(tài)（像累積多烯一樣），此狀態(tài)下的原子都由雙鍵相連，一端的碳原子則擁有一個(gè)空軌道——就像在︰C＝C＝O、︰C＝C＝C＝C＝O等一樣，通式為︰(C=)n=O；當(dāng)n是奇數(shù)時(shí)，其三重態(tài)則被認(rèn)為與乙炔型的、具有極性的狀態(tài)處于共振中——分子一端的碳原子帶有負(fù)電荷而另一端的氧原子帶有正電荷，如-C≡C－C≡O(shè)+、-C≡C－C≡C－C≡O(shè)+，通式為-(C≡C－)n/2C≡O(shè)+。一氧化碳自己也符合這一規(guī)律，所以其優(yōu)勢(shì)形態(tài)應(yīng)該是-C≡O(shè)+。

環(huán)狀聚羰基碳氧化物：

碳氧化物中還有一類環(huán)狀軸烯型的化合物，這類化合物分子式的通式為CnOn或(CO)n。這類碳氧化物可被視為一氧化碳的環(huán)狀寡聚物或?qū)?yīng)的環(huán)烷烴全部亞甲基都被羰基取代的化合物。一氧化碳可以被認(rèn)為是這類碳氧化物的第一個(gè)成員。理論研究預(yù)示乙烯二酮和環(huán)丙三酮是不存在的。接下來(lái)的三個(gè)成員——C?O?、C?O?和C?O?——理論上是存在的，但都可能不穩(wěn)定，現(xiàn)在只能痕量地合成。

雖然這類碳氧化物分子幾乎都是不穩(wěn)定或不存在的，但與它們有類似結(jié)構(gòu)的陰離子卻都是穩(wěn)定的，這些陰離子有的在19世紀(jì)已被人們發(fā)現(xiàn)。這類碳氧陰離子包括：

新的氧化物：

C??O?：1,4-苯醌四甲酸二酐

C?O?：乙烯四甲酸二酐

C??O??或C?(C?O?)?：三乙二酸苯六酯

C??O??或C?O?(C?O?)?：二乙二酸-1,4-苯醌酯

C?O?或C?O?(CO?)?：二碳酸-1,4-苯醌酯

C?O?或C?(CO?)?：三碳酸苯六酯

C??O?：三(3,4-二炔-3-環(huán)丁烯-1,2-二酮)

C??O?：四(3,4-二炔-3-環(huán)丁烯-1,2-二酮)

C?O?：對(duì)二氧雜環(huán)己烷四酮或二乙二酸二酐

C??O?：六羰基三環(huán)丁烷并苯

這些碳氧化物的許多類似物已在理論上被研究過(guò)，其中的一部分被認(rèn)為是穩(wěn)定的，如四羥基-1,2-苯醌、二羥基環(huán)丙烯酮、方酸、鄰二羥環(huán)戊烯三酮、玫瑰紅酸的碳酸酯或草酸酯。

碳-氧聚合物：

二氧化三碳在室溫下會(huì)自發(fā)聚合成碳-氧比為3:2的聚合物，該聚合物被認(rèn)為是由六元環(huán)內(nèi)酯組成的線狀長(zhǎng)鏈，以單鍵或雙鍵鏈接的碳鏈作為骨架。物理方法測(cè)算出每分子這種聚合物鏈中平均重復(fù)單元數(shù)約為5-6，以上得出的數(shù)值取決于聚合物形成時(shí)的溫度。

在5GPa的壓強(qiáng)中，一氧化碳可被壓縮產(chǎn)生類似的紅色的、氧含量較高的聚合物，這種聚合物在標(biāo)況下處于亞穩(wěn)態(tài)。有研究認(rèn)為，一氧化碳在形成這種聚合物時(shí)發(fā)生了歧化反應(yīng)，在壓腔中產(chǎn)生了二氧化碳和二氧化三碳，而二氧化三碳才是形成類似上述聚合物的新聚合物的物質(zhì)。

除上述兩種碳-氧聚合物外，經(jīng)典氧化石墨及其單層氧化石墨也是碳-氧聚合物，其碳-氧比等于或高于5:1。

二氧化碳在一定情況下也可形成類似的聚合物。

另外，富勒烯也可形成超過(guò)20種氧化物，如C??O(2種異構(gòu)體)、C??O?(6種異構(gòu)體)、C??O?(3種異構(gòu)體)、C??(O?)?、C??OO?、C???O、C???O?、C???O?(4種異構(gòu)體)、C??O、C???O

等等。

③碳氮化合物

Ⅰ：共價(jià)網(wǎng)狀化合物：包括β-氮化碳(β-C?N?)及石墨氮化物(g-C?N?)，β-氮化碳(β-C?N?)是一種超硬的材料，預(yù)計(jì)比金剛**硬。石墨氮化物則可用作電子元件及催化劑。

Ⅱ：氮雜富勒烯：這是一類雜多烯，其中氮取代了一些碳。實(shí)例包括(C??N)?、C??N?、C??N?、C??N??等。

Ⅲ：氰化富勒烯：是由氰基基團(tuán)連接到富勒烯上形成的化合物，它們具有通式C??(CN)?n，n為1到9。

Ⅳ：氰及其有關(guān)衍生物：包括**、聚合氰、異**、聚合異氰、***、異***、氰酸鹽(酯)、異氰酸鹽(酯)、雷酸鹽(酯)、硫氰酸鹽(酯)、異硫氰酸鹽(酯)等。

氰在標(biāo)況下是帶杏仁味的無(wú)色氣體。燃燒時(shí)呈桃紅色火焰，邊緣側(cè)帶藍(lán)色。氰溶于水、乙醇、乙醚。氰是一種擬鹵素。**會(huì)被還原為毒性極強(qiáng)的***。氰在高溫下與氫氣反應(yīng)生成氰化氫。與氫氧化鉀反應(yīng)生成***和氰酸鉀。氰加熱至400°C以上聚合成不溶性的白色固體(CN)x。氰是草酰胺的脫水產(chǎn)物，是草酸衍生的腈。

Ⅴ：氰基烷/烯/炔類

常見(jiàn)的有二氰乙炔、四氰乙烯、四氰甲烷、2,2-二異氰基丙二腈、六氰乙烷、六氰環(huán)丙烷、六氰丁二烯等等。

二氰多炔是由交替的單鍵和三鍵的碳原子鏈組成，兩側(cè)以氮原子結(jié)束。雖然二氰乙炔符合通式，但由于不是聚炔不屬于此類物質(zhì)。常見(jiàn)的二氰多炔有二氰丁二炔(C?N?)、二氰己三炔(C?N?)、二氰辛四炔(C??N?)、二氰癸五炔(C??N?)、C??N?、C??N?、C??N?、C??N?、C??N?、等等。

Ⅵ：疊氮烷/烯/炔類

最常見(jiàn)的是四疊氮甲烷，可用于炸藥、推進(jìn)劑和煙火等方面。

Ⅶ：氰基雜環(huán)

常見(jiàn)的有五氰吡啶、四氰吡嗪、三氰三嗪(含3種異構(gòu))、四氰聯(lián)二三嗪、二氰四嗪(含2種異構(gòu))、六氰聯(lián)二二咪唑、六氰基六氮雜三亞苯等。

Ⅷ：芳香***

常見(jiàn)的有六氰基苯、八氰基萘、十氰基蒽等。

Ⅸ：其他碳氮化合物

如氰氮烯、偶氮二腈、疊氮腈、1-二疊氮基氨甲酰基-5偶氮四唑、三疊氮化三聚氰、三疊氮庚嗪、三氰基亞胺、二疊氮二氰基乙烯、二氰基重氮甲烷、二氰基卡賓及其四種異構(gòu)體(氰基異氰基卡賓、二異氰基卡賓、3-氰基-2-氮丙烯環(huán)卡賓、3-異氰基-2-氮丙烯環(huán)卡賓)、1,3,5-三疊氮-2,4,6-三氰基苯、三氰化氮、二氰基碳二亞胺等等。

其他離子：二氨腈離子、三氰基甲烷陰離子、五氰基乙烷陰離子、五氰基丙烯陰離子、2-二氰基亞甲基-1,1,3,3-四氰基丙烷陰離子、三氰基三聚氰陰離子、三偶氮氰基合庚嗪陰離子、氰化富勒烯陰離子、聚合氰陰離子（如一氰基炔陰離子）等等。

④碳硼完

碳硼完是由硼和碳形成的原子簇化合物，有著多面體結(jié)構(gòu)，構(gòu)型分為閉合式、巢式、椅式等等；類型可分為單碳、雙碳、多碳等等；碳硼完可有硼完和炔烴反應(yīng)制得。碳硼完可以過(guò)渡金屬作為配體產(chǎn)生金屬碳硼完，也可與有機(jī)鋰試劑去質(zhì)子化得到鋰衍生物，衍生物可與各種親電試劑反應(yīng)。碳硼完的一種衍生物碳硼完酸是超強(qiáng)酸，酸性為硫酸百萬(wàn)倍以上，其可將苯質(zhì)子化形成可分離的鹽，甚至還能在不破壞富勒烯結(jié)構(gòu)的情況下將富勒烯質(zhì)子化。雙（二碳硼完）可用作沉淀劑，某些碳硼完可當(dāng)做催化劑和應(yīng)用于某些醫(yī)學(xué)方面。

三、應(yīng)用

碳是構(gòu)成生物的基礎(chǔ)。除了作為食物和木材外，碳的最大用途是在化石燃料上，如天然氣和石油等。石油化學(xué)工業(yè)利用煉油廠把原油蒸餾成汽油和柴油。纖維素是一種植物制造的碳聚合物，出現(xiàn)在棉花和麻中。植物中的纖維素主要有支撐結(jié)構(gòu)的作用。動(dòng)物來(lái)源的碳聚合物有羊毛、羊絨和絲綢。塑料是人工合成的碳聚合物，一般在分子鏈中含有固定間隔的氧和氮原子。塑料的制造原料都可以從石油加工而成。

碳及其化合物的應(yīng)用非常廣泛。碳可以和鐵形成鋼合金。石墨與粘土混合后可制成鉛筆芯，用于書(shū)寫和繪畫。

木炭可用于繪畫、燒烤、煉鐵等等。木材、煤炭和石油都可用作燃料，用以發(fā)電或保暖。高質(zhì)量鉆石被用作首飾，而工業(yè)用鉆石則可在金屬或石頭上進(jìn)行鉆孔、切割和磨光。化石燃料中的碳?xì)浠衔锬芗庸こ伤芰?。聚酯纖維裂解后形成的碳纖維可以為塑料加固，產(chǎn)生輕盈的復(fù)合材料。碳纖維的制造原料為經(jīng)拉伸過(guò)的聚丙烯腈以及其他有機(jī)物質(zhì)，其最終的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)屬性取決于初始原料和制作工序。由聚丙烯腈做成的碳纖維結(jié)構(gòu)與細(xì)長(zhǎng)的石墨絲相似，而經(jīng)過(guò)熱處理后，結(jié)構(gòu)就會(huì)變成連續(xù)的一張薄片。這種纖維的拉伸比強(qiáng)度比鋼還要高。

炭黑的應(yīng)用包括：黑色顏料、印刷墨水、藝術(shù)油墨和水彩、碳式復(fù)寫紙、汽車油漆、墨和激光打印機(jī)碳粉。炭黑還可以用作橡膠和塑料的填充劑?；钚蕴靠晌?、過(guò)濾物質(zhì)，其應(yīng)用范圍包括防毒面具、水凈化、廚房吸油煙機(jī)等，也可從消化系統(tǒng)中吸收毒物或氣體作醫(yī)學(xué)治療。碳在高溫下可以進(jìn)行還原反應(yīng)，如焦炭可將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵金屬。鋼與碳粉末一起加熱后，可以達(dá)到表面硬化的作用。碳化硅、碳化鎢、碳化硼和碳化鈦都是超硬材料，在切割和碾磨時(shí)被用作磨料。幾乎所有衣料都由碳化合物組成，如人造紡織品和皮革等。

四、安全

純碳對(duì)人類的毒性很低，某些形式的石墨或木炭直接進(jìn)食。碳可以抵抗化學(xué)侵蝕，包括消化道中的酸。因此當(dāng)進(jìn)入人體組織后，碳會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存留。然而，大量吸入顆粒卻會(huì)刺激肺部，并造成塵肺等病。這些微粒會(huì)在肺部積聚。如果進(jìn)入身體的含碳物質(zhì)還有其他的雜質(zhì)，如有機(jī)化合物和重金屬等，就有可能會(huì)對(duì)身體造成額外的傷害。

碳對(duì)某些生物卻有毒。如，碳納米微塵對(duì)果蠅屬是有毒的。

碳在高溫下能在空氣中劇烈燃燒。大量煤炭在無(wú)氧狀態(tài)下經(jīng)過(guò)數(shù)億年后，首次被挖出時(shí)，可能會(huì)在接觸到空氣后自燃。

一氧化碳和***對(duì)人有著劇毒。