【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第三章、碳和碳的簡單化合物

§3-1碳的同素異形體

【01】我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了氧和氫兩種非金屬元素的單質(zhì)——氧氣和氫氣——的性質(zhì)、制法和用途。在本章里，我們將介紹另一種非金屬元素——碳。碳在自然界里的總存量雖然比起氧和氫來要少得多，但分布卻很廣。它和人們的關(guān)系非常密切。

【02】碳是構(gòu)成一切動(dòng)植物體的重要元素。許多以動(dòng)植物為來源的東西，在高溫的時(shí)候都會(huì)分解成炭。例如，燒飯或格餅的時(shí)候，如果用火太猛，飯或餅有時(shí)會(huì)燒焦成一層黑色的炭：許多油類燃燒的時(shí)候，如果空氣不夠充分，常有很濃的黑煙冒出，這黑煙實(shí)際上就是許多微小的碳粒；木材、紙、棉花等在高溫時(shí)也會(huì)分解出碳。這就是這些東西里都含有碳元素的證明。此外，構(gòu)成地殼巖石的大理石、石灰石等是固態(tài)的碳的化合物；石油里含有大量的液態(tài)的碳的化合物；大氣里的二氧化碳，某些地方地下埋藏著的天然氣是氣態(tài)的碳的化合物。

【03】碳和碳的化合物和人們生活的關(guān)系十分密切。我們?nèi)粘３缘娜缑酌妗⑷忸?、蔬菜、油脂等，穿的如棉布、絲綢、呢絨以及絕大部分的人造纖維等，用的如橡膠、木材、許多染料和藥品等都是含有碳的化合物。碳和碳的化合物如煤炭、汽油、煤油、柴油等是應(yīng)用最多的燃料，是現(xiàn)在世界上能量的主要來源。

【04】由此看來，碳是一種分布非常廣泛的、重要的非金屬元素。在本章里，我們除了研究單質(zhì)的碳以外，還要研究碳的一些簡單的化合物，主要是碳的氧化物、碳酸和碳酸鹽等。至于那些和生物體密切有關(guān)的、組成比較復(fù)雜的碳的化合物，將在第四冊有機(jī)化學(xué)部分里詳細(xì)討論。

山箋||??碳的性質(zhì)小記

【山】微觀結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途；用途反映性質(zhì)，性質(zhì)反映微觀結(jié)構(gòu)。下面教材介紹的碳的性質(zhì)乃是大半個(gè)世紀(jì)前的成果，故此處我結(jié)合當(dāng)今的情況再簡單整理一下：

（1）金剛石

【山】金剛石是無色透明、正八面體形狀的固體，是天然存在的最硬物質(zhì)，不導(dǎo)電，其微觀結(jié)構(gòu)是碳原子立體網(wǎng)狀排列。硬度大，可用金剛石劃玻璃。目前工業(yè)常用的是人造金剛石，甚至可制出金剛石薄膜。

（2）石墨

【山】石墨是深灰色片固體，有金屬光澤及不透明細(xì)鱗，質(zhì)軟（最軟礦物之一），有導(dǎo)電性，滑膩感。其微觀結(jié)構(gòu)是碳原子呈層狀排列。石墨和黏土混合制成鉛筆芯，石墨可以制作石墨坩堝、石墨電極、電車導(dǎo)電刷。

（3）碳六十等新時(shí)代研究成果

【山】C??由60個(gè)碳原子構(gòu)成的一個(gè)分子，微觀結(jié)構(gòu)類似足球，又名足球烯。性質(zhì)穩(wěn)定，在材料科學(xué)、超導(dǎo)體方面有廣闊的前景。另外目前正在研究中的碳單質(zhì)還有石墨烯、C??、碳納米管等等。

（4）無定形碳

【山】無定形碳的種類極多，包括木炭、活性炭、焦炭、炭黑等等。除我們最常見的取暖用的木炭外其他幾種無定形碳也是極為重要的作用：

【山】①活性炭疏松多孔，因此其吸附作用比木炭還要強(qiáng)，故防毒面具可利用活性炭吸附毒氣，亦可作為制糖工業(yè)的脫色劑，還可作冰箱去味劑。

【山】②炭黑可作為鞋底、輪胎的填充劑，從而增加耐磨性，還可制備鞋油與碳素墨水。因?yàn)?span id="s0sssss00s" class="color-green-03">碳具有穩(wěn)定性（常溫下），即碳原子最外層有四個(gè)電子，既不易失電子，又不易得電子。因此常溫下，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在日照、水濕環(huán)境下不易變化。故用炭黑書寫繪畫可長時(shí)間不變色。

【山】③焦炭有還原性，可用于冶金工業(yè)，是冶金工業(yè)中常用的還原劑。

（5）碳的主要性質(zhì)

【山】①碳具有可燃性（有氧下），在氧氣中燃燒更旺，會(huì)發(fā)出白光。碳在充分燃燒時(shí)生成二氧化碳，不充分燃燒時(shí)生成一氧化碳?？梢赃@樣理解，碳先生成一氧化碳，然后一氧化碳燃燒生成二氧化碳。氧氣不充分時(shí)，在生成一氧化碳后就反應(yīng)停止了；氧氣充足時(shí)，一氧化碳很快就變成二氧化碳，因第一階段時(shí)間極短故并不明顯。尤其是一氧化碳到爐口遇到充足氧氣時(shí)，會(huì)再燃燒為二氧化碳，煤爐中的藍(lán)色火焰其實(shí)就是一氧化碳燃燒時(shí)的火焰顏色。

【山】②碳具有還原性（高溫下），碳可以還原鐵與銅等的氧化物為單質(zhì)鐵、銅等，還可以將二氧化碳還原成一氧化碳。結(jié)合上一條可以這樣理解，即碳如果量很足時(shí)，一些已經(jīng)從一氧化碳燃燒生成的二氧化碳，也會(huì)被重新還原成一氧化碳。所以碳還原鐵銅時(shí)也可能會(huì)生成一氧化碳。

【05】碳的元素符號是C，原子量是12。

【06】在自然界里，碳主要是以化合態(tài)存在的，但也有游離態(tài)的碳存在。

【07】和前面講過的氧相似，由碳元素組成的單質(zhì)，也有多種同素異形體。碳的同素異形體有：金剛石、石墨和無定形碳。這三種碳的同素異形體，從外形上看來是很不相同的，但當(dāng)它們在純氧里燃燒的時(shí)候，結(jié)果都產(chǎn)生二氧化碳，而且除了二氧化碳以外，都沒有別的產(chǎn)物。這就證明了它們都是由碳元素組成的單質(zhì)，它們相互為碳的同素異形體。

金剛石

【08】純凈的金剛石是無色透明的物質(zhì)，帶有雜質(zhì)的金剛石可以顯現(xiàn)出不同的顏色。金剛石的晶體呈八面體形，光線照射在它上面的時(shí)候，容易折射出來，發(fā)出亮晶晶的美麗的光彩。經(jīng)過琢磨成一定形狀的金剛石叫做金剛鉆或鉆石（圖3-1），是一種貴重的裝飾品。

【09】金剛石是相當(dāng)重的物質(zhì)，它的比重是3.5，這就是說它是同體積水重的3.5倍。金剛石極其堅(jiān)硬，是一切天然出產(chǎn)的物質(zhì)里最最堅(jiān)硬的東西，因此要琢磨金剛石，只能用別的金剛石或金剛石的粉末。由于金剛石的這種性質(zhì)，它可以用來安裝在鉆探機(jī)的鉆頭上來鉆鑿堅(jiān)硬的巖層。此外，它還用來刻劃玻璃。

【10】金剛石在自然界里存在的量很少，而且一般開采所得的金剛石的體積都不大。我國山東、浙江等某些地方出產(chǎn)金剛石。

石墨

【11】石墨是一種松軟的、不透明的、灰黑色的、細(xì)鱗片狀的晶體，用手摸它，有滑膩的感覺。石墨比金剛石輕，它的比重是2.2。

【12】和金剛石相反，石墨是最軟的礦物之一，用我們的指甲就能在它上面刻劃出痕跡。如果把石墨在紙上劃過，它的微小的結(jié)晶，就會(huì)粘附在紙上，留下深灰色的痕跡。利用石墨的這種性質(zhì)，把石墨和適量的粘土混和后，可以用來做鉛筆的“鉛芯”，摻進(jìn)的粘土越多，制得的“鉛芯”越“硬”。

【13】由于石墨具有柔軟光滑的性質(zhì)，在機(jī)油里摻進(jìn)少量的石墨，用作機(jī)器的潤滑劑，涂在機(jī)器的軸承部分，可以減少摩擦。

【14】石墨具有金屬光澤。它能夠?qū)щ?，因此可以用來制造電極。例如煉鋼的電爐里，有巨大的石墨電極；探照燈也用石墨做電極；我們常用的干電池里的碳精棒，也是用石墨制成的。

【15】石墨在純氧中雖然可以燃燒，但在空氣里卻有耐火的性質(zhì)。因此，把石墨和粘土混和在一起，制成石墨坩堝，可以用來熔煉金屬。

【16】石墨在自然界里存在的量也不多，但比金剛石要多得多。我國石墨的主要產(chǎn)地是河南、陜西、江蘇等省。

無定形碳

【17】當(dāng)有機(jī)物燃燒不完全時(shí)，或隔絕空氣強(qiáng)熱時(shí)，就能得到無定形碳。

【18】無定形碳的晶體非常微小，以前沒有被人觀察到，因而把它誤認(rèn)為是一種沒有一定結(jié)晶形狀的非晶體，所以稱做“無定形碳”?，F(xiàn)在證明，無定形碳也是晶體，它是由許多極其微小的、和石墨結(jié)構(gòu)相似的晶體無秩序地排列起來而組成的。

【19】無定形碳由于制備時(shí)所用的原料不同，或者方法不同而有好多種，其中最重要的有炭黑、木炭和焦炭等幾種?！尽疤肌焙汀疤俊眱勺值暮x不同，“碳”是指碳元素，“炭”專指各種無定形碳而言，例如木炭、焦炭、活性炭等】

1、炭黑??

【20】油脂、木材、石油等含碳化合物在氧氣供給不充分的情況下燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙炱，叫做炭黑，炭黑是極細(xì)的黑色的碳的粉末，是比較純粹的無定形碳。

【21】在橡膠里混入炭黑，可以增加橡膠制品的耐磨性。因此，炭黑大量應(yīng)用在橡膠工業(yè)上。

【22】炭黑是很好的黑色顏料，用來制造黑色油墨。我國特制的墨，也是用炭黑做原料的。

2、木炭

【23】木炭是木柴在隔絕空氣下強(qiáng)熱而制得的，它是不純凈的無定形碳，含有一些礦物雜質(zhì)，木炭燃燒后，雜質(zhì)殘留成灰，灰的主要成分是碳酸鉀()。

【24】木炭燃燒時(shí)能發(fā)生很多的熱，沒有嗆人的煙，適宜于在家庭里用作燃料。

木炭在高溫時(shí)能把金屬氧化物還原成為單質(zhì)的金屬（參看§3-3），因此，在冶金工業(yè)上，木炭常用作還原劑。

【25】木炭還用來制造黑火藥。黑火藥是我國唐代的偉大發(fā)明，它是木炭粉、硫磺粉和硝酸鉀()的混和物。

【26】木炭能夠把某些蒸氣或氣體吸在它的表面上。氣體、蒸氣或某些溶解物質(zhì)被吸在固體表面上的作用叫做吸附，通過下面的實(shí)驗(yàn)，將很容易地觀察到木炭的吸附現(xiàn)象。

【27】在試管里集滿紅棕色的二氧化氮()氣體，投入幾小塊加熱過的木炭，用塞子塞住試管口，搖動(dòng)試管，不久就可看到管內(nèi)紅棕色逐漸消失，這是因?yàn)槎趸獨(dú)怏w被吸附在木炭表面上了。如果把試管里的木炭倒出，放進(jìn)另一試管，加熱，原來吸附在木炭表面上的二氧化氮?dú)怏w會(huì)重新放出，顯現(xiàn)出紅棕的顏色。

【28】吸附作用是在物質(zhì)的表面進(jìn)行的，物質(zhì)的表面面積越大，吸附能力就越強(qiáng)。在木材內(nèi)部，有很多細(xì)小的管道，在木材干餾后所得的木炭里，仍保留有這種結(jié)構(gòu)。由于木炭的這種多孔性，它的表面積很大，因此，它具有很強(qiáng)的吸附能力。

【29】為了加強(qiáng)木炭的吸附能力，常把木炭在隔絕空氣下加熱，并且通入水蒸氣的氣流，使留在木炭孔隙里的雜質(zhì)清洗或揮發(fā)掉，擴(kuò)大木炭里面的空隙，這就增加了木炭的表面積。經(jīng)過這樣處理的木炭，叫做活性炭?；钚蕴康谋砻娣e比木炭大得多，普通1克木炭的表面積大約有100~150平方米，而1克活性炭的表面積可達(dá)500~700平方米。從而，活性炭的吸附能力也比木炭強(qiáng)得多。

【30】活性炭對各種不同氣體的吸附能力并不完全相同。一般說來，活性炭對那些沸點(diǎn)比較高、容易液化的氣體的吸附能力要強(qiáng)些。例如，1毫升的活性炭在15℃和常壓下能吸附各種氣體的體積，如表3-1所示：

【31】大部分有毒的（例如氯氣）和有惡臭的氣體（例如氨氣）的沸點(diǎn)都比較高（見上表）。利用活性炭這種對氣體有選擇性的吸附能力，可以把它用做防毒面具里的毒氣吸附劑。當(dāng)混有毒氣（例如氯氣）的空氣，經(jīng)過防毒面具濾毒罐里的活性炭層時(shí)，幾乎全部有毒氣體都被吸附掉，而人呼吸需要的空氣里的氧氣只有很少被吸附，起著“過濾”的作用。

【32】活性炭不僅能夠吸附氣體，并且能夠吸附溶解在溶液里的某些物質(zhì)（例如色素）。在盛有靛藍(lán)（一種藍(lán)色的染料）溶液的試管中，放進(jìn)少量活性炭，加熱煮沸，過濾后得到無色的液體。這是因?yàn)槿芤豪锏娜玖弦驯换钚蕴克降木壒省?/p>

【33】在制糖工業(yè)上，用活性炭脫去糖漿的黃色，制造精白糖。

【34】活性炭還能吸附某些病毒【病毒是一種能夠傳染疾病的毒素】，可用作藥品。

3、焦炭

【35】焦炭是煤在隔絕空氣下強(qiáng)熱而制得的，焦炭的主要成分是游離態(tài)的碳，它含有的灰分比木炭多。

【36】焦炭是淺灰色的多孔物質(zhì)，質(zhì)地堅(jiān)硬。在煉鐵的高爐里，用焦炭來還原鐵礦石，可以經(jīng)受得住爐內(nèi)厚層原料的巨大壓力。

習(xí)題8-1

1、金剛石有些什么重要性質(zhì)？有什么用途？

【山答】

①純凈的金剛石是無色透明的物質(zhì)，帶有雜質(zhì)的金剛石可以顯現(xiàn)出不同的顏色。金剛石的晶體呈八面體形，光線照射在它上面的時(shí)候，容易折射出來，發(fā)出亮晶晶的美麗的光彩?？梢宰鳛檠b飾品。

②金剛石的比重是3.5，且極其堅(jiān)硬，可以用來安裝在鉆探機(jī)的鉆頭上來鉆鑿堅(jiān)硬的巖層。此外，它還用來刻劃玻璃。

2、石墨有些什么重要性質(zhì)？有什么用途？

【山答】

?石墨是一種松軟的、不透明的、灰黑色的、細(xì)鱗片狀的晶體，比金剛石輕，比重是2.2。

①石墨和適量的粘土混和后，可以用來做鉛筆的“鉛芯”。

②石墨具有柔軟光滑的性質(zhì)，在機(jī)油里摻進(jìn)少量的石墨，用作機(jī)器的潤滑劑，涂在機(jī)器的軸承部分，可以減少摩擦。

③石墨能夠?qū)щ姡虼丝梢杂脕碇圃祀姌O。

④石墨在空氣里卻有耐火的性質(zhì)。因此，把石墨和粘土混和在一起，制成石墨坩堝，可以用來熔煉金屬。

3、為什么活性炭比木炭具有更加強(qiáng)大的吸附能力？

【山答】因?yàn)榛钚蕴烤哂懈蟮谋砻娣e，即有更多的空隙，因此吸附能力大大加強(qiáng)。

4、為什么活性炭可以用作防毒面具里的吸附劑？

【山答】因?yàn)榛钚蕴烤哂休^強(qiáng)的吸附力，尤其是對于沸點(diǎn)比較高、容易液化的氣體效果更好，而氯氣氨氣等有毒有害氣體的沸點(diǎn)都比較高，故活性炭的吸附效果更好，因此可以用作防毒面具里的吸附劑。