【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第三章、碳和碳的简单化合物

§3-1碳的同素异形体

【01】我们已经学习了氧和氢两种非金属元素的单质——氧气和氢气——的性质、制法和用途。在本章里，我们将介绍另一种非金属元素——碳。碳在自然界里的总存量虽然比起氧和氢来要少得多，但分布却很广。它和人们的关系非常密切。

【02】碳是构成一切动植物体的重要元素。许多以动植物为来源的东西，在高温的时候都会分解成炭。例如，烧饭或格饼的时候，如果用火太猛，饭或饼有时会烧焦成一层黑色的炭：许多油类燃烧的时候，如果空气不够充分，常有很浓的黑烟冒出，这黑烟实际上就是许多微小的碳粒；木材、纸、棉花等在高温时也会分解出碳。这就是这些东西里都含有碳元素的证明。此外，构成地壳岩石的大理石、石灰石等是固态的碳的化合物；石油里含有大量的液态的碳的化合物；大气里的二氧化碳，某些地方地下埋藏着的天然气是气态的碳的化合物。

【03】碳和碳的化合物和人们生活的关系十分密切。我们日常吃的如米面、肉类、蔬菜、油脂等，穿的如棉布、丝绸、呢绒以及绝大部分的人造纤维等，用的如橡胶、木材、许多染料和药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、柴油等是应用最多的燃料，是现在世界上能量的主要来源。

【04】由此看来，碳是一种分布非常广泛的、重要的非金属元素。在本章里，我们除了研究单质的碳以外，还要研究碳的一些简单的化合物，主要是碳的氧化物、碳酸和碳酸盐等。至于那些和生物体密切有关的、组成比较复杂的碳的化合物，将在第四册有机化学部分里详细讨论。

山笺||  碳的性质小记

【山】微观结构决定性质，性质决定用途；用途反映性质，性质反映微观结构。下面教材介绍的碳的性质乃是大半个世纪前的成果，故此处我结合当今的情况再简单整理一下：

（1）金刚石

【山】金刚石是无色透明、正八面体形状的固体，是天然存在的最硬物质，不导电，其微观结构是碳原子立体网状排列。硬度大，可用金刚石划玻璃。目前工业常用的是人造金刚石，甚至可制出金刚石薄膜。

（2）石墨

【山】石墨是深灰色片固体，有金属光泽及不透明细鳞，质软（最软矿物之一），有导电性，滑腻感。其微观结构是碳原子呈层状排列。石墨和黏土混合制成铅笔芯，石墨可以制作石墨坩埚、石墨电极、电车导电刷。

（3）碳六十等新时代研究成果

【山】C₆₀由60个碳原子构成的一个分子，微观结构类似足球，又名足球烯。性质稳定，在材料科学、超导体方面有广阔的前景。另外目前正在研究中的碳单质还有石墨烯、C₇₀、碳纳米管等等。

（4）无定形碳

【山】无定形碳的种类极多，包括木炭、活性炭、焦炭、炭黑等等。除我们最常见的取暖用的木炭外其他几种无定形碳也是极为重要的作用：

【山】①活性炭疏松多孔，因此其吸附作用比木炭还要强，故防毒面具可利用活性炭吸附毒气，亦可作为制糖工业的脱色剂，还可作冰箱去味剂。

【山】②炭黑可作为鞋底、轮胎的填充剂，从而增加耐磨性，还可制备鞋油与碳素墨水。因为碳具有稳定性（常温下），即碳原子最外层有四个电子，既不易失电子，又不易得电子。因此常温下，化学性质较为稳定，在日照、水湿环境下不易变化。故用炭黑书写绘画可长时间不变色。

【山】③焦炭有还原性，可用于冶金工业，是冶金工业中常用的还原剂。

（5）碳的主要性质

【山】①碳具有可燃性（有氧下），在氧气中燃烧更旺，会发出白光。碳在充分燃烧时生成二氧化碳，不充分燃烧时生成一氧化碳。可以这样理解，碳先生成一氧化碳，然后一氧化碳燃烧生成二氧化碳。氧气不充分时，在生成一氧化碳后就反应停止了；氧气充足时，一氧化碳很快就变成二氧化碳，因第一阶段时间极短故并不明显。尤其是一氧化碳到炉口遇到充足氧气时，会再燃烧为二氧化碳，煤炉中的蓝色火焰其实就是一氧化碳燃烧时的火焰颜色。

【山】②碳具有还原性（高温下），碳可以还原铁与铜等的氧化物为单质铁、铜等，还可以将二氧化碳还原成一氧化碳。结合上一条可以这样理解，即碳如果量很足时，一些已经从一氧化碳燃烧生成的二氧化碳，也会被重新还原成一氧化碳。所以碳还原铁铜时也可能会生成一氧化碳。

【05】碳的元素符号是C，原子量是12。

【06】在自然界里，碳主要是以化合态存在的，但也有游离态的碳存在。

【07】和前面讲过的氧相似，由碳元素组成的单质，也有多种同素异形体。碳的同素异形体有：金刚石、石墨和无定形碳。这三种碳的同素异形体，从外形上看来是很不相同的，但当它们在纯氧里燃烧的时候，结果都产生二氧化碳，而且除了二氧化碳以外，都没有别的产物。这就证明了它们都是由碳元素组成的单质，它们相互为碳的同素异形体。

金刚石

【08】纯净的金刚石是无色透明的物质，带有杂质的金刚石可以显现出不同的颜色。金刚石的晶体呈八面体形，光线照射在它上面的时候，容易折射出来，发出亮晶晶的美丽的光彩。经过琢磨成一定形状的金刚石叫做金刚钻或钻石（图3-1），是一种贵重的装饰品。

【09】金刚石是相当重的物质，它的比重是3.5，这就是说它是同体积水重的3.5倍。金刚石极其坚硬，是一切天然出产的物质里最最坚硬的东西，因此要琢磨金刚石，只能用别的金刚石或金刚石的粉末。由于金刚石的这种性质，它可以用来安装在钻探机的钻头上来钻凿坚硬的岩层。此外，它还用来刻划玻璃。

【10】金刚石在自然界里存在的量很少，而且一般开采所得的金刚石的体积都不大。我国山东、浙江等某些地方出产金刚石。

石墨

【11】石墨是一种松软的、不透明的、灰黑色的、细鳞片状的晶体，用手摸它，有滑腻的感觉。石墨比金刚石轻，它的比重是2.2。

【12】和金刚石相反，石墨是最软的矿物之一，用我们的指甲就能在它上面刻划出痕迹。如果把石墨在纸上划过，它的微小的结晶，就会粘附在纸上，留下深灰色的痕迹。利用石墨的这种性质，把石墨和适量的粘土混和后，可以用来做铅笔的“铅芯”，掺进的粘土越多，制得的“铅芯”越“硬”。

【13】由于石墨具有柔软光滑的性质，在机油里掺进少量的石墨，用作机器的润滑剂，涂在机器的轴承部分，可以减少摩擦。

【14】石墨具有金属光泽。它能够导电，因此可以用来制造电极。例如炼钢的电炉里，有巨大的石墨电极；探照灯也用石墨做电极；我们常用的干电池里的碳精棒，也是用石墨制成的。

【15】石墨在纯氧中虽然可以燃烧，但在空气里却有耐火的性质。因此，把石墨和粘土混和在一起，制成石墨坩埚，可以用来熔炼金属。

【16】石墨在自然界里存在的量也不多，但比金刚石要多得多。我国石墨的主要产地是河南、陕西、江苏等省。

无定形碳

【17】当有机物燃烧不完全时，或隔绝空气强热时，就能得到无定形碳。

【18】无定形碳的晶体非常微小，以前没有被人观察到，因而把它误认为是一种没有一定结晶形状的非晶体，所以称做“无定形碳”。现在证明，无定形碳也是晶体，它是由许多极其微小的、和石墨结构相似的晶体无秩序地排列起来而组成的。

【19】无定形碳由于制备时所用的原料不同，或者方法不同而有好多种，其中最重要的有炭黑、木炭和焦炭等几种。【“碳”和“炭”两字的含义不同，“碳”是指碳元素，“炭”专指各种无定形碳而言，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气供给不充分的情况下燃烧时产生的烟炱，叫做炭黑，炭黑是极细的黑色的碳的粉末，是比较纯粹的无定形碳。

【21】在橡胶里混入炭黑，可以增加橡胶制品的耐磨性。因此，炭黑大量应用在橡胶工业上。

【22】炭黑是很好的黑色颜料，用来制造黑色油墨。我国特制的墨，也是用炭黑做原料的。

2、木炭

【23】木炭是木柴在隔绝空气下强热而制得的，它是不纯净的无定形碳，含有一些矿物杂质，木炭燃烧后，杂质残留成灰，灰的主要成分是碳酸钾()。

【24】木炭燃烧时能发生很多的热，没有呛人的烟，适宜于在家庭里用作燃料。

木炭在高温时能把金属氧化物还原成为单质的金属（参看§3-3），因此，在冶金工业上，木炭常用作还原剂。

【25】木炭还用来制造黑火药。黑火药是我国唐代的伟大发明，它是木炭粉、硫磺粉和硝酸钾()的混和物。

【26】木炭能够把某些蒸气或气体吸在它的表面上。气体、蒸气或某些溶解物质被吸在固体表面上的作用叫做吸附，通过下面的实验，将很容易地观察到木炭的吸附现象。

【27】在试管里集满红棕色的二氧化氮()气体，投入几小块加热过的木炭，用塞子塞住试管口，摇动试管，不久就可看到管内红棕色逐渐消失，这是因为二氧化氮气体被吸附在木炭表面上了。如果把试管里的木炭倒出，放进另一试管，加热，原来吸附在木炭表面上的二氧化氮气体会重新放出，显现出红棕的颜色。

【28】吸附作用是在物质的表面进行的，物质的表面面积越大，吸附能力就越强。在木材内部，有很多细小的管道，在木材干馏后所得的木炭里，仍保留有这种结构。由于木炭的这种多孔性，它的表面积很大，因此，它具有很强的吸附能力。

【29】为了加强木炭的吸附能力，常把木炭在隔绝空气下加热，并且通入水蒸气的气流，使留在木炭孔隙里的杂质清洗或挥发掉，扩大木炭里面的空隙，这就增加了木炭的表面积。经过这样处理的木炭，叫做活性炭。活性炭的表面积比木炭大得多，普通1克木炭的表面积大约有100~150平方米，而1克活性炭的表面积可达500~700平方米。从而，活性炭的吸附能力也比木炭强得多。

【30】活性炭对各种不同气体的吸附能力并不完全相同。一般说来，活性炭对那些沸点比较高、容易液化的气体的吸附能力要强些。例如，1毫升的活性炭在15℃和常压下能吸附各种气体的体积，如表3-1所示：

【31】大部分有毒的（例如氯气）和有恶臭的气体（例如氨气）的沸点都比较高（见上表）。利用活性炭这种对气体有选择性的吸附能力，可以把它用做防毒面具里的毒气吸附剂。当混有毒气（例如氯气）的空气，经过防毒面具滤毒罐里的活性炭层时，几乎全部有毒气体都被吸附掉，而人呼吸需要的空气里的氧气只有很少被吸附，起着“过滤”的作用。

【32】活性炭不仅能够吸附气体，并且能够吸附溶解在溶液里的某些物质（例如色素）。在盛有靛蓝（一种蓝色的染料）溶液的试管中，放进少量活性炭，加热煮沸，过滤后得到无色的液体。这是因为溶液里的染料已被活性炭所吸附的缘故。

【33】在制糖工业上，用活性炭脱去糖浆的黄色，制造精白糖。

【34】活性炭还能吸附某些病毒【病毒是一种能够传染疾病的毒素】，可用作药品。

3、焦炭

【35】焦炭是煤在隔绝空气下强热而制得的，焦炭的主要成分是游离态的碳，它含有的灰分比木炭多。

【36】焦炭是浅灰色的多孔物质，质地坚硬。在炼铁的高炉里，用焦炭来还原铁矿石，可以经受得住炉内厚层原料的巨大压力。

习题8-1

1、金刚石有些什么重要性质？有什么用途？

【山答】

①纯净的金刚石是无色透明的物质，带有杂质的金刚石可以显现出不同的颜色。金刚石的晶体呈八面体形，光线照射在它上面的时候，容易折射出来，发出亮晶晶的美丽的光彩。可以作为装饰品。

②金刚石的比重是3.5，且极其坚硬，可以用来安装在钻探机的钻头上来钻凿坚硬的岩层。此外，它还用来刻划玻璃。

2、石墨有些什么重要性质？有什么用途？

【山答】

 石墨是一种松软的、不透明的、灰黑色的、细鳞片状的晶体，比金刚石轻，比重是2.2。

①石墨和适量的粘土混和后，可以用来做铅笔的“铅芯”。

②石墨具有柔软光滑的性质，在机油里掺进少量的石墨，用作机器的润滑剂，涂在机器的轴承部分，可以减少摩擦。

③石墨能够导电，因此可以用来制造电极。

④石墨在空气里却有耐火的性质。因此，把石墨和粘土混和在一起，制成石墨坩埚，可以用来熔炼金属。

3、为什么活性炭比木炭具有更加强大的吸附能力？

【山答】因为活性炭具有更大的表面积，即有更多的空隙，因此吸附能力大大加强。

4、为什么活性炭可以用作防毒面具里的吸附剂？

【山答】因为活性炭具有较强的吸附力，尤其是对于沸点比较高、容易液化的气体效果更好，而氯气氨气等有毒有害气体的沸点都比较高，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剂。