碳碳四鍵（即 C2）是否存在?

01-05

如題。題主高中黨，從目前的知識來看理論上是可行的，可是為什麼沒人發現過它呢？

碳碳四鍵，即C2,是否存在?
如題，題主高中黨，從目前的知識來看理論上是可行的，可是為什麼沒人發現過它呢？

　　題主您好。在高中課內不考慮由兩個碳原子構成的分子 $ext{C}_2$ ，但它是存在的。

　　您是高中生，「目前的知識」知道碳可以形成四個共價鍵，但是碳是不能形成四鍵的，如果您學習了選修3的內容，就知道，不僅對鍵的總數有限制，還對成鍵時的特徵有限制：即單鍵一般為σ鍵（「頭碰頭」重疊，有旋轉軸），雙鍵一般為1個σ鍵和1個π鍵（「肩並肩」重疊，有1個對稱面），三鍵一般為1個σ鍵和2個π鍵。高中沒有學習四鍵，四鍵一般為1個σ鍵、2個π鍵和1個δ鍵，其中δ鍵有兩個對稱面，是需要由d軌道面對面形成的，而碳的d軌道是沒有價電子的，它的價層只有2s電子和2p電子。所以碳只能通過形成多個單鍵、雙鍵、三鍵，滿足總數為四個鍵。

　　雖然用上邊的理論看形成以四鍵結合的 $ext{C}_2$ 分子是不可行的，但分子軌道理論則是認為存在 $ext{C}_2$ 分子的，並且人們已經發現了它，1959年，證實基態 $ext{C}_2$ 分子的電子組態為 $KK(sigma _{g}2s)^2(sigma _{u}^{*}2s)^2(pi _{u}2p_{x})^2(pi _{u}2p_{y})^2$ ，所以這個分子含有碳碳雙鍵，但是這個碳碳雙鍵與乙烯中的碳碳雙鍵不同， $ext{C}_2$ 是2個π鍵而沒有σ鍵（由於s-p混雜， $sigma _{u}^{*}$ 為弱反鍵軌道，所以實際的鍵級處於2～3之間，即介於雙鍵和三鍵之間），而乙烯分子中的碳碳雙鍵則是1個σ鍵和1個π鍵。 $ext{C}_2$ 分子內碳碳雙鍵的鍵能為602kJ/mol，鍵長為124pm，由於沒有單電子所以分子為反磁性。根據鍵能的數據， $ext{C}_2$ 分子是比較穩定的（鍵解離能比 $ext{H}_{2}, ext{O}_{2}, ext{Cl}_{2}$ 都還要高），但是由於C在形成石墨或金剛石時是更穩定的，所以就不以 $ext{C}_2$ 分子的形式存在了。

$ext{C}_2$ 分子軌道填充圖如下：

如果用經典的價鍵結構式來表示，應該寫為：

如果用高中學的電子式……大概是這樣的

:C::C:

嗯。

C2似乎是雙鍵而不是四鍵

！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

C2,C3 都是存在的，在太空中的激發態的C2很早就被觀測到，其主要可見光的輻射區稱為SWAN BAND Swan band。 C2在碳氫燃料的火焰里也是廣泛存在的，尤其是較為rich的火焰里，C2的激發態C2*是火焰中藍綠色的主要原因，C2也是形成soot的重要前體。

太空中的C2*：圖片來源WIKI Diatomic carbon

C/2014 Q2 (Lovejoy) glows green due to diatomic carbon.

火焰光譜數據可以在我之前的答案中找到火是什麼物質組成的？ - 劉輿帥的回答

這裡補充兩張圖，分別是lean 和rich的天然氣火焰，火焰顏色從夢幻淡藍色到神秘藍綠色的轉變，主要是C2*的功勞，藍綠色火焰上部可以觀察到橙紅色的白熾soot。在專業煤氣工的指導下，樓主可以在自家的燃氣灶上觀察到激發態的C2。

圖片來源見水印。

C2，這種東西，有，氣態碳成分複雜，其中一種組成就是這個

四鍵，也有，有機金屬簇合物，比如Re2Cl82-中就有，不過這需要用到兩個d軌道「面對面」形成δ鍵（類比σ鍵頭碰頭，π鍵肩並肩），碳顯然不能用d軌道成鍵，所以最多只能形成三鍵。

那C2怎麼回事呢。雙鍵三鍵這些的價鍵理論沒法解釋，這需要用分子軌道理論來解釋，分子軌道理論有點複雜，但只要知道在這個理論解釋下，C2是能夠穩定存在的

補充一下樓上兩位，金屬簇合物里存在四重鍵。詳細見鏈接：

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E9%87%8D%E9%94%AE

順便還發現原來還有五重鍵和六重鍵。。。鏈接：

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%94%E9%87%8D%E9%94%AE

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E9%87%8D%E9%94%AE

這屬於自由基，分子離解的碎片，一般存在於高溫高速或者高真空強輻射環境下。當還沒碰到別的東西的時候憑空把兩個碳原子擺在一起總能勉勉強強成鍵，但是碰到別的東西會立即反應。

類似的東西還有C3，在某些火箭發動機燃燒過程中需要列入反應方程式，也是「此物只應天上有」。常見一點的有不帶電荷也沒有連接其他東西的羥基自由基OH，也是反應中間體。

總之，中學生不要考慮這種情況，以考試大綱為準。

如果你是問C2是否存在，答案是：有的。但是其基態並非碳碳四鍵。

根據分子軌道理論，其基態組態為

(σg1s)2(σu*1s)2(σg2s)2(σu*2s)2(πu2p)4

(手機碼字，湊合著先看)

其鍵級為(成鍵軌道電子數-反鍵軌道電子數)/2=(8-4)/2=2

也就是說，基態C2分子之間是雙鍵。

考慮激發態的話鍵級是可以達到4的。將σu*2s反鍵軌道上的兩個電子激發到更高的成鍵軌道上去，這樣就有10個電子處於成鍵軌道2個電子處於反鍵軌道(由於全同粒子特性，準確的說應該是12個電子的總波函數為10個成鍵軌道波函數和2個反鍵軌道波函數構成的Slater行列式，為了直觀並且便於表述才像上面那樣說)。

要注意這是激發態，不穩定。至於C2基態，鍵級大於0起碼錶示作為雙原子分子的基態能量比作為兩個獨立的碳原子的基態能量要低。但是它處於一般環境下仍然不穩定，一方面是因為還有其他更穩定的狀態(比如金剛石，石墨等)，另一方面是因為可以和其他物質如氧氣迅速反應生成更穩定的物質。所以一般都是在極其嚴苛的實驗條件下或者太空中才能觀測到C2分子。

至於說由於幾何原因而不能形成碳碳四鍵的說法，本人持懷疑態度。由於還未考慮好怎麼反駁，所以我只能說，這種說法比較唯象，沒有抓住其中的物理。碳原子只有在sp3雜化下才呈四面體構型，在這裡拿四面體去類比是沒有意義的。

C2的確存在且已被發現

但是至於碳碳四鍵，按照當今通行的理論，無論是從空阻的角度還是從電子的本性或碳原子的電子狀態的角度想，似乎都不該存在。

能形成三鍵，第四根鍵因為空間位阻的關係無法形成

四鍵應該不存在，空間位阻太大，真要有也分分鐘斷了。其實這種問題去知網查查比在知乎問來的快。

就像四面體有四個頂點，兩個四面體最多做到三個頂點重合，高中生先這樣理解吧