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主要内容

碳和碳氢化合物

碳元素以及为什么它对于我们所知的生活至关重要。碳原子的性质以及成键方式。

介绍

碳是一种生活中很常见的元素。你的铅笔里有以石墨形式存在的碳,你在烧烤时用的木炭砖也是由碳制成的,甚至在你戒指或者项链上的钻石也是由碳制成的(当然这种钻石是在高温和高压下才能形成)。你可能还没有认识到,你都身体大约有18%的重量是由碳组成的。它是你身体中许多分子的重要组成部分。这包括你体内的蛋白质、DNA、RNA、糖和脂肪。
这些复杂的生物分子被称作生物高分子;他们被归类为有机分子,因为他们含有碳原子。(值得注意的事,并不是所有含有碳的分子都是有机分子。比如说二氧化碳和一氧化碳通常不被认为是有机分子)。

碳的成键

为什么碳会大量存在于分子的骨架中呢?为什么我们不能用氧来达到同样的目的?因为碳与碳之间的键的强度非常大,所以碳可以用来为大分子塑造一个稳定的、坚固的骨架。一个更重要的原因是碳能形成共价键。因为C原子可以与最多四个其它的原子之间形成共价键,所以它适合于用来组成高分子的骨架。
作为一个类比,想象你有一些积木,其中有拥有两个或四个接口的小球。如果你选择有四个接口的球,那么相对于有两个接口的球,你可以连接更多的零件,从而更容易构筑一个复杂的结构。碳原子就像有四个接口的球,可以与四个其它原子连接。而氧原子更像有两个接口的球,只能与最多两个其它原子连接。
碳拥有与其他四个原子形成键的能力主要是因为其电子数量和结构。碳的原子序数为 6(即一个碳原子含有6个质子,和6个电子),因此前两个电子充满了最里层,剩下的四个电子在第二层电子层中,即碳原子的最外电子层(即价电子层)。为了电子的稳定性,第二层电子层必须含有八个电子,为此碳必须再找四个电子来填充它的电子层。因此, 碳原子可以与多达四个其他原子结合在一起。例如,在甲烷(CH4) 中,碳原子与四个氢原子形成共价键。每个键由一对共享的电子组成(一个电子来自碳,一个来自氢),这样这个碳原子就达到了一个完整的第二层电子层所需的八个电子。

碳氢化合物

碳氢化合物是完全由碳和氢组成的有机分子。我们生活中经常会使用到碳氢化合物:例如,煤气里的丙烷和打火机里的丁烷都是碳氢化合物。他们都被用作燃料因为它们的共价键里储存了大量能量,这些能量在燃烧时以热能的形式释放(在燃烧的过程中,它们与氧气反应产生二氧化碳和水)。
图片来源:OpenStax生物学。
甲烷(CH4)是最简单的碳氢化合物分子,它包含了一个在中心的碳原子,它与四个氢原子连接。碳原子和四个氢原子形成一个有四个三角形的表面的三维形状,它被称为四面体。正因为如此,甲烷被认为拥有四面体结构。更广泛地说,,当一个碳原子与其他四个任意原子结合在一起时, 分子 (或更大分子的一部分) 将采取类似于甲烷的四面体形状。这是因为构成键的电子对相互排斥,而在四面体结构中这些电子之间的距离是最远的。
大多数高分子并不是碳氢化合物,因为它们除了碳和氢之外,还包含其他原子,如氮、氧和磷。但是,附着有氢的碳链是大多数高分子的一个重要组成结构组成(即使它们与其他原子也相连),因此理解碳氢化合物的特性对于了解宏观分子的行为十分重要。

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