碳（C）是常规能源的主要组成元素，它是化学中最重要的元素之一。含碳的化合物种类最多，它们的结构形式和成键方式最丰富。目前已知化合物的种类已超过1000万种，其中含碳的化合物约占90％。极少数含碳化合物（如CO，CO₂，Na₂CO₃）属无机化合物，绝大多数的含碳化合物具有难溶于水、熔点低、容易燃烧等特点，这类含碳化合物统称为有机化合物。由碳和氢两种元素组成的一大类化合物称为烃，也叫碳氢化合物（如甲烷CH₄，乙烯C₂H₄，苯C₆H₆）。以烃为母体，其中氢原子被其他原子或原子团取代，而衍生为其他一系列的有机化合物（如甲醇CH₃OH，氯乙烯C₂H₃Cl，硝基苯C₆H₅NO₂），这些有机化合物统称为烃的衍生物。碳的化学也就是有机化学。碳的化合物种类如此繁多，千姿百态，但若从碳的单质结构出发进行浏览，并从其内在结构看，它们是相当有条有理的。

2.2.1 单质碳

碳在周期表里位于第2周期ⅣA族（第14例），它有 4个价电子，电负性中等，它不容易丢失电子成正离子，也不容获得电子成负离子，而容易形成各式各样的共价键。碳单质有3种同素异形体。

金刚石  碳原子的4个价电子，按四面体的4个顶点方向和其他4个碳原子以C－C共价键结合，形成无限的三维骨架，如图2－1（a）所示。两个碳原子核间距离（即 C－C键长）为154 pm（1.54×10^-8cm=1.45A⁰）。金刚石的三维结构在各个方向都有很高的强度，在天然产物中它的硬度最高，在单质中它的熔点最高，并且不导电。

石墨  每个碳原子都按平面正三角形方向和其他3个碳原子以共价键结合，形成一个六角形平面层。C－C键长为142pm，在垂直于层的方向上，还有一个价电子以π键（见第3章）的方式将无数的平面层连结在一起，层间距为340pm，如图 2－1（b）所示。层间价电子活动比较自由，石墨的导电性、滑动性都与此结构状态有关。做铅笔芯的并不是铅而是石墨，但铅笔这个名词已沿用至今。石墨和金刚石都是碳元素的单质，由于结构不同，性质差别很大，但在一定的条件下，石墨可以变为人造金刚石，但变化条件相当苛刻──2000℃以上，1500 MPa。自然界中金刚石储量不多，而新科技对这样坚硬的材料需求日益增长，促使人们进行人造金刚石的研究，并随此发展了高温高压技术。

球碳  1985年以来化学家和物理学家合作，发现了碳的第3种单质－－球碳②。以石墨棒为电极，在氦气氛中放电，电弧产生的碳原子团沉积在冷却反应器内壁，经分离提纯得到一种由60个C原子构成的C₆₀分子。它的形状很像足球，碳原子位于由12个正五边形和20个正六边形组成的60个顶点处，俗称“足球烯”，如图2－1（c）所示。C₆₀的结构，现在已由红外光谱、电子显微镜、X射线衍射和电子衍射等多种方法测定。而这种结构的初始设想却是受到美国建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成球形薄壳建筑结构的启发，因此也有Fullerball（富勒球）之称。后来还发现了C₅₀，C₇₀，C₈₄，C₁₂₀等各种各样的多面体碳分子，目前对这类物质的研究尚处于开拓阶段。它们有可能做催化剂、润滑剂、超导体等的基质材料。[美]Smalley R E，[美]Curl R F和[英] Kroto H W，因对开拓这个化学新领域的贡献荣获 1996年诺贝尔化学奖。

2.2.2 烃类──碳氢化合物

烃是众多有机化合物的母体，也是最基本、最简单的有机化合物。四类基本的烃是：烷烃、烯烃、炔烃和芳烃。

烷烃  甲烷（CH₄）、丁烷（C₄H₁₀）和辛烷（C₈H₁₈）是我们日常生活中最常遇到的几种烷烃，它们分别是天然气、石油液化气和汽油的主要成分。燃烧时放热生成H₂O和CO₂。最简单的烷烃是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，它们的化学式、结构简式和球棍结构式如下图所示。这类化合物中碳原子按四面体方向和其他碳原子或氢原以共价单键相联成链。由于碳原子的外层4个价电子都已分别成键，因此，它们属饱和烃，其通式为C_nH_2n-2，在特定条件下可以发生取代反应。

烯烃  常见的烯烃是乙烯（C₂H₄）和丙烯（C₃H₆）。烯烃的通式是C_nH_2n，它们都含有碳碳双键（－C=C－），容易发生加成反应。乙烯是现代石油化学工业的龙头产品之一，乙烯的生产能力是国家综合国力的重要标志。丙烯是制造丙烯腈（人造羊毛）和聚丙烯纤维的基本原料。凡含有两个碳碳双键的烯烃叫二烯烃，如丁二烯（C₄H₆）是制造顺丁橡胶的原料。乙烯、丙烯、丁二烯的结构简式如下：

炔烃  分子中含碳碳三键（－C≡C－）的烃叫炔烃，最重要的炔烃是乙炔C₂H₂。炔烃的通式是C_nH_2n-2。金属焊接或切割时用的氧炔焰就是利用乙炔在氧气中燃烧时产生的高温（约3000℃）。气焊时用的乙炔气是由电石（CaC₂）水解产生的，乙炔本身无色无味，电石水解时闻到的特殊臭味，是由其中含磷含硫杂质所致：

（火焰温度可达3000℃左右）含有三键的炔烃和含有双健的烯烃都可以发生加成反应，统称为不饱和烃。而只含单键的烷烃只能发生取代反应。

芳烃  苯（C₆H₆）是最典型的芳烃，它具有特殊的“香味”，而得名“芳香烃”，简称芳烃。苯环是芳烃族化合物的母体，其中的碳原子以平面三角形取向成键，形成等边六角形，见下页图。其中氢原子可以被其他原子或原子团取代，如1个H被甲基（CH₃－）取代时为甲苯；被乙基（C₂H₅－）取代时为乙苯；若有2个H同时被甲基取代，则为二甲苯；若有1个H被甲基取代，3个H被硝基（NO₂－）取代，则是三硝基甲苯，这是炸药的主要成分，可简写为TNT。两个或两个以上的苯环还可以共边相连，即两个苯环共用两个相连的碳原子。化学式为C₁₀H₈的萘分子中含有两个相连的苯环，它是重要的化工原料之一。制造染料原料之一的蒽分子（C₁₄H₁₀）则是由3个苯环相连。这些芳烃的结构简式如下页图所示。一个苯环由6个C和6个H组成等边六角形，为了书写的方便，一般省略了C和H，而用一个等边六元环表示。

学习烃的基本知识是掌握有机化学知识的第一步，本节仅做复习和回顾。下章化学键中还将从化学键理论的角度进一步深化对烃类的了解。

由以上一些实例可以看到各种烃分子里的氢原子可以被取代而生成烃的衍生物，常用R代表失去一个氢的烃基，如甲基（CH₃－）、乙基（C₂H₅－）、

乙烯基（C₂H₃—）等。这类直链的烃基可用R—代表；而环状的苯基（

丰富得多，随取代基的不同，性质和用途千差万别。决定化合物特性的原子或原子团称为官能团。

2.2.3 烃的衍生物

烃的衍生物是按官能团进行分类的，一些常见衍生物及其典型化合物和主要用途列入表2－3。

从表2－3所列举典型化合物的一些用途可以看到，烃的衍生

物涉及面非常广泛，不仅有日常生活用的料酒、洗涤剂、药物、塑料制品、人造纤维、染料等，也有涉及高科技需要的火箭燃料、特种橡胶等。从它们的官能团看：醇和酚都含－OH，但凡与直链烃相连的为醇（ROH），而

也可以不同；醚的特点是氧原子和两个烃基相连，R和R'也是可以相同或不同；羧酸和酯的不同，在于官能团碳原子是和OH相连还是和OR'相连。羧酸和醇容易起反应生成酯，这叫酯化反应，如乙酸乙酯就是由乙酸和乙醇脱水而成的，其化学反应方程是：

胺类可以看做NH₃分子中的一个、二个或三个氢原子被R－或Ar－取代

的代表物。硝基（－NO₂）是硝酸（HNO₃）脱去1个OH基团的产物，它可以和R－或Ar－相连。R－NO₂在染料业有广泛用途，这是由于－NO₂有生色功能。磺酸基（－SO₃H）是硫酸分子（H₂SO₄）脱去1个OH基团的产物，它可与R－或Ar－相连，十二烷基苯磺酸钠是制造洗涤剂的重要原料。

几乎所有的有机化合物都可看做是烃的衍生物，本章不再详述，以后有关章节将陆续介绍。此外与碳元素有关又与生命现象有关的糖类、氨基酸、蛋白质、酶、DNA等内容将在第9章中介绍。本章重点是介绍与能源的有关内容。