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無定形碳-碳的同素異形體中的一大類

時間:2022-03-19 07:16瀏覽次數:200
無定形碳又稱爲過渡態碳,是碳的同素異形體中的一大類。
無定形碳即指那些石墨化晶化程度很低,近似非晶形態(或無固定形狀和週期性的結構規律)的碳材料,如炭黑等。
在炭素材料學歷史上,曾與石墨、金剛石並立,被認爲是碳元素三種存在狀態之一。

特徵

無定形碳共同特點

無定形碳(1)C/H原子比大於10;(2)X光衍射圖中的反射線模糊不清,從總體上看是非晶態的。
但這類炭質材料,不像非晶金屬那樣形成完全雜亂無序的原子凝集體,即呈現所謂完全無定形。
碳的價電子最易取能量低的sp2雜化軌道(見碳原子雜化軌道),形成六角碳網平面,即使在惰性氣體中把金剛石加熱到1800℃,金剛石也會轉化爲石墨。
無定形碳中還含有直徑極小的(<30nm)二維石墨層面或三維石墨,在微晶邊緣上存在大量不規則的鍵。
呋哺樹脂經緩慢炭化製得的玻璃炭,除含有大量的sp2碳外,還含有不少的sp3碳。
用低溫化學氣相沉積法制得的金剛石薄膜,雖然其中碳原子以sp3鍵合爲主,但也有少量碳原子以sp2方式互相鍵合。
總之不能用單一的結構模式來表徵這一大類物質,用炭質材料或過渡態碳來表述比較合適。

碳的同素異形體

sp3雜化金剛石-藍絲黛爾石
sp2雜化石墨-石墨烯-富勒烯-玻璃碳
sp雜化直鏈乙炔碳
其他c1-c2-c4-c8
相關蠟石-活性炭

種類介紹

一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。
除骨炭含碳在10%左右以外,其餘主要成分都是單質碳。
煤炭是天然存在的無定形碳,其中含有一些由碳、氫、氮等組成的化合物。
所謂無定形碳,並不是指這些物質存在的形狀,而是指其內部結構。
實際上它們的內部結構並不是真正的無定形體,而是具有和石墨一樣結構的晶體,只是由碳原子六角形環狀平面形成的層狀結構零亂且不規則,晶體形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量雜質。
大部分無定形碳是石墨層型結構的分子碎片大致相互平行地,無規則地堆積在一起,可簡稱爲亂層結構。
層間或碎片之間用金剛石結構的四面體成鍵方式的碳原子鍵連起來,這種四面體的碳原子所佔的比例多,則比較堅硬,如焦碳和玻璃態碳等。
納米碳管和蔥頭形顆粒等結構可從球碳的結構出發來理解。
多孔黑色的塊粒或粉末狀碳。
常見的有木炭、焦炭、炭黑、骨炭等。
爲微晶狀碳,晶粒很小,由碳原子六角形環所構成的層爲不規則堆積。
高溫下與氧、金屬氧化物作用生成碳的氧化物。
與硫和金屬作用生成碳化物。

性質和用途

基本性質

無定形碳顧名思義沒有特定形狀和週期性結構的規律,但它內部原子的排列可從三種晶態碳的單質結構來理解。
無定形碳中石墨層的大小,因製造不同工業用途的品種和工藝而異,例如,用作橡膠填充劑的炭黑及作吸附劑用的活性炭等,它們的主體是石墨亂層結構的顆粒。
粒徑約爲幾個納米,層間距離接近石墨晶體中的數值,約爲0.34nm,碳纖維中的石墨層呈捲曲狀,沿纖維軸方向延伸,煤的結構很複雜,由於生成的條件不同,石墨化程度不同,氫、氧、氮等的含量差異很大,結構的差異也很大。
無定形碳與少量砂子和氧化鐵催化劑混合,在約3500℃的電爐中加熱,使產生的碳蒸氣凝聚,可得人造石墨。

基本用途

炭黑:黑色粉末,一般用於黑色顏料、製作墨汁、油墨及做橡膠的耐磨增強劑等。
炭黑焦炭:淺灰色、多孔堅硬固體,一般用於冶煉金屬以及生產水煤氣。
木炭:灰黑色、多孔性固體,一般用於燃料、火藥的製作,以及食品工業的吸附劑。
活性炭:黑色、多孔性顆粒或粉末,一般用於防毒面具中過濾空氣,水的淨化處理劑以及製糖的工業脫色劑。
早在15世紀就已知道屬於無定形碳的木炭具有吸附性。
19世紀在提純白糖時就開始使用木炭。
以後又對無定形碳進行很多處理,產生了一些種類。
由煤乾餾、木材乾餾、烴熱分解或不完全燃燒而得。
用作吸附劑、催化劑、填料、火藥原料,以及用於冶金等。
無定形碳跟少量砂子、氧化鐵催化劑混合,在約3500℃中加熱,使產生的碳蒸氣凝聚,可得人造石墨。
碳黑可用於製造油墨、油漆、墨汁等;木炭可作燃料或還原劑,用於冶煉金屬;活性炭可作電冰箱的除臭劑、淨水過濾器、防毒面具的濾毒罐、脫色劑等。
它還有吸附能力,把氣體或溶液中的有色物質附在表面上,因而使其脫色。
焦碳可用作燃料和鍊鐵的還原劑。
無定形碳涉及的面很廣,日常生活和工農業生產中常用到無定形碳。

製取方法

木炭:由木材在隔絕空氣的條件下加強熱製得。
焦炭:由煙煤隔絕空氣加強熱製得。
炭黑:由天然氣高溫分解制得。
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