# why # what ### 碳原子的基本身份 - **元素符号**：C - **原子序数**：6（意味着原子核内有 6 个质子） - **标准原子质量**：约 12.01 u（以最常见的 ¹²C 为主） - **电子排布**：1s² 2s² 2p² - 最外层（n = 2）共有 4 个价电子 → 可形成至多 4 个共价键 --- #### 原子结构与价层轨道 |轨道|容量|已占电子数|价层杂化示例| |---|---|---|---| |1s|2|2|—| |2s|2|2|sp³／sp²／sp 杂化的基底| |2p_x, 2p_y, 2p_z|6|2|用于构建 σ、π 键及三键| > **键合自由度**——碳可以进行 sp³（四面体单键）、sp²（平面双键）和 sp（直线三键）杂化，使其具备“链接”与“支化”能力，正是有机化学多样性的根源。 --- #### 主要同位素 |同位素|丰度(%)|特点|典型用途| |---|---|---|---| |¹²C|~98.9|核稳定、质量基准|原子量标准| |¹³C|~1.1|核磁可探测|¹³C-NMR、示踪实验| |¹⁴C|痕量|放射性 (半衰期 ≈ 5730 年)|放射性碳定年法| --- #### 物理形态——碳的同素异形体（ allotropes） - **金刚石**：sp³ 全共价三维网络 → 极硬、热导率高、绝缘体 - **石墨**：平面 sp² 六角网层+范德华力 → 电导良好、可作润滑剂 - **石墨烯**：单层石墨 → “二维晶体”，电子迁移率极高 - **富勒烯**（C₆₀、C₇₀…）：封闭球壳结构 → 纳米材料、医学载体 - **碳纳米管**：卷曲石墨烯 → 高强度、优良导电/导热 --- #### 化学特征 1. **多价性**：±4 的氧化态范围 (–4 到 +4) 允许还原剂和氧化剂角色自由切换。 2. **键能适中**：C–C 和 C–H 键既稳定又可在温和条件下断裂，利于生物代谢与工业合成。 3. **同分异构**：碳链长度与分支变化产生海量分子式相同但结构不同的化合物。 --- #### 宇宙与生命中的地位 - **宇宙丰度**：第 4 多元素（质子数排序），恒星核聚变产物之一。 - **碳循环**：在大气 (CO₂)、水体、岩石和生物体间流动，维系全球气候与生态平衡。 - **生物分子基石**：碳-氢骨架构成糖类、脂质、蛋白质、核酸等——“碳基生命”概念由此而来。 --- #### 小结 > **碳原子是一个具有 4 个价电子、能够灵活杂化并形成多样共价键的元素**。 > 这种“键合多面手”的特性让它在地球化学、材料科学以及所有生物体系中都扮演着核心角色，奠定了有机化学和“碳基生命”故事的全部基础。 # how # how good # Ref.