p區元素(一):第13、14族

碳的氧化物與碳酸鹽(oxides of carbon and carbonates)

兩口無機碳的「氣息」塑造著我們的世界:我們呼出的、令地球變暖的二氧化碳,以及從故障取暖器裡悄無聲息致命的一氧化碳。再加上鎖在石灰岩、貝殼和白堊裡的碳酸鹽,你就有了碳的無機一面——這一面與有機分子毫無關係,卻統治著全球碳循環。

一氧化碳 CO 含碳氧三鍵,與 N2 等電子(兩者都有 14 個電子),這使它作為自由分子異常穩定且惰性,卻是極佳的配體:它的碳上孤對電子向金屬給電子,空的 π 軌域則接受反饋,這正是金屬羰基化學的基礎。CO 之所以有毒,恰恰因為它與血紅蛋白的鐵結合遠比 O2 牢固。二氧化碳 CO2 是直線形的非極性分子 O=C=O,一種酸性氧化物,溶於水生成少量碳酸 H2CO3,後者失去質子給出碳酸氫根 HCO3- 和碳酸根 CO3^2-。碳酸根離子為平面三角形、三根等價的 C-O 鍵,是共振/離域的教科書範例(一對多出的 π 電子鋪在三個氧上,鍵級約 1.33)。

這些物種在每個尺度上都重要。碳酸鹽構成了廣袤的沉積岩(石灰岩、大理石)和海洋生物的殼;煅燒石灰岩(CaCO3 變為 CaO + CO2)就是水泥和砂漿背後古老的石灰窯化學。CO2 / 碳酸氫根 / 碳酸根的平衡緩衝著血液和海洋,是海洋酸化和碳循環的核心。而金屬羰基裡的 CO 則開啟了有機金屬化學的一整個分支。它們俐落地表明,「無機」碳遠非腳註,而是最具影響力的化學之一。

碳酸根離子 CO3^2- 不能畫成一根短雙鍵加兩根長單鍵,因為測得三根 C-O 鍵完全等同。真實圖景是一個離域 π 體系:一對電子鋪在三個氧上,給出約 1.33 的平均鍵級。

等長的 C-O 鍵迫使我們採用共振/離域圖景,而非固定的單鍵和雙鍵。

碳酸是真實存在的,但溶解的 CO2 中真正成為 H2CO3 的只占極小一部分,大多仍以水合 CO2 形式存在。而 CO 作為自由氣體的惰性與其毒性並不矛盾:毒性來自它與血紅蛋白鐵這類金屬中心結合得多麼牢固,而非來自任何普遍的活潑性。

又稱
carbon oxidesCO CO2 carbonate一氧化碳 二氧化碳 碳酸盐一氧化碳 二氧化碳 碳酸鹽