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無(wú)定形碳（碳的同素異形體中的一大類(lèi)）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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無(wú)定形碳

碳的同素異形體中的一大類(lèi)

無(wú)定形碳又稱(chēng)為過(guò)渡態(tài)碳，是碳的同素異形體中的一大類(lèi)。無(wú)定形碳即指那些石墨化晶化程度很低，近似非晶形態(tài)（或無(wú)固定形狀和周期性的結(jié)構(gòu)規(guī)律）的碳材料，如炭黑等。在炭素材料學(xué)歷史上，曾與石墨、金剛石并立，被認(rèn)為是碳元素三種存在狀態(tài)之一。

基本信息

中文名	無(wú)定形碳
外文名	amorphous carbon
別名	過(guò)渡態(tài)碳
水溶性	不溶于水
定義	碳?xì)湓颖却笥?0

特征

無(wú)定形碳共同特點(diǎn)

無(wú)定形碳

(1)C/H原子比大于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(tài)的。但這類(lèi)炭質(zhì)材料，不像非晶金屬那樣形成完全雜亂無(wú)序的原子凝集體，即呈現(xiàn)所謂完全無(wú)定形。碳的價(jià)電子最易取能量低的sp2雜化軌道(見(jiàn)碳原子雜化軌道)，形成六角碳網(wǎng)平面，即使在惰性氣體中把金剛石加熱到1800℃，金剛石也會(huì)轉(zhuǎn)化為石墨。

無(wú)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(guī)則的鍵。呋哺樹(shù)脂經(jīng)緩慢炭化制得的玻璃炭，除含有大量的sp2碳外，還含有不少的sp3碳。用低溫化學(xué)氣相沉積法制得的金剛石薄膜，雖然其中碳原子以sp3鍵合為主，但也有少量碳原子以sp2方式互相鍵合?？傊荒苡脝我坏慕Y(jié)構(gòu)模式來(lái)表征這一大類(lèi)物質(zhì)，用炭質(zhì)材料或過(guò)渡態(tài)碳來(lái)表述比較合適。

碳的同素異形體

sp3雜化	金剛石-藍(lán)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(guān)	蠟石-活性炭

種類(lèi)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，其余主要成分都是單質(zhì)碳。

煤炭是天然存在的無(wú)定形碳，其中含有一些由碳、氫、氮等組成的化合物。所謂無(wú)定形碳，并不是指這些物質(zhì)存在的形狀，而是指其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實(shí)際上它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是真正的無(wú)定形體，而是具有和石墨一樣結(jié)構(gòu)的晶體，只是由碳原子六角形環(huán)狀平面形成的層狀結(jié)構(gòu)零亂且不規(guī)則，晶體形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量雜質(zhì)。大部分無(wú)定形碳是石墨層型結(jié)構(gòu)的分子碎片大致相互平行地，無(wú)規(guī)則地堆積在一起，可簡(jiǎn)稱(chēng)為亂層結(jié)構(gòu)。層間或碎片之間用金剛石結(jié)構(gòu)的四面體成鍵方式的碳原子鍵連起來(lái)，這種四面體的碳原子所占的比例多，則比較堅(jiān)硬，如焦碳和玻璃態(tài)碳等。納米碳管和蔥頭形顆粒等結(jié)構(gòu)可從球碳的結(jié)構(gòu)出發(fā)來(lái)理解。

多孔黑色的塊?；蚍勰钐?。常見(jiàn)的有木炭、焦炭、炭黑、骨炭等。為微晶狀碳，晶粒很小，由碳原子六角形環(huán)所構(gòu)成的層為不規(guī)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(zhì)和用途

基本性質(zhì)

無(wú)定形碳顧名思義沒(méi)有特定形狀和周期性結(jié)構(gòu)的規(guī)律，但它內(nèi)部原子的排列可從三種晶態(tài)碳的單質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)理解。

無(wú)定形碳中石墨層的大小，因制造不同工業(yè)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(jié)構(gòu)的顆粒。粒徑約為幾個(gè)納米，層間距離接近石墨晶體中的數(shù)值，約為0.34nm，碳纖維中的石墨層呈卷曲狀，沿纖維軸方向延伸，煤的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，由于生成的條件不同，石墨化程度不同，氫、氧、氮等的含量差異很大，結(jié)構(gòu)的差異也很大。

無(wú)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(chǎn)生的碳蒸氣凝聚，可得人造石墨。

基本用途

炭黑：黑色粉末，一般用于黑色顏料、制作墨汁、油墨及做橡膠的耐磨增強(qiáng)劑等。

炭黑

焦炭

：淺灰色、多孔堅(jiān)硬固體，一般用于冶煉金屬以及生產(chǎn)水煤氣。

木炭：灰黑色、多孔性固體，一般用于燃料、火藥的制作，以及食品工業(yè)的吸附劑。

活性炭：黑色、多孔性顆?；蚍勰?，一般用于防毒面具中過(guò)濾空氣，水的凈化處理劑以及制糖的工業(yè)脫色劑。

早在15世紀(jì)就已知道屬于無(wú)定形碳的木炭具有吸附性。19世紀(jì)在提純白糖時(shí)就開(kāi)始使用木炭。以后又對(duì)無(wú)定形碳進(jìn)行很多處理，產(chǎn)生了一些種類(lèi)。

由煤干餾、木材干餾、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，以及用于冶金等。

無(wú)定形碳跟少量砂子、氧化鐵催化劑混合，在約3500℃中加熱，使產(chǎn)生的碳蒸氣凝聚，可得人造石墨。

碳黑可用于制造油墨、油漆、墨汁等；木炭可作燃料或還原劑，用于冶煉金屬；活性炭可作電冰箱的除臭劑、凈水過(guò)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(zhì)附在表面上，因而使其脫色。焦碳可用作燃料和煉鐵的還原劑。

無(wú)定形碳涉及的面很廣，日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用到無(wú)定形碳。

制取方法

木炭：由木材在隔絕空氣的條件下加強(qiáng)熱制得。

焦炭：由煙煤隔絕空氣加強(qiáng)熱制得。

炭黑：由天然氣高溫分解制得。

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