无定形碳

过渡态碳

无定形碳又称为过渡态碳，是碳的同素异形体中的一大类。无定形碳即指那些石墨化晶化程度很低，近似非晶形态（或无固定形状和周期性的结构规律）的碳材料，如炭黑等。在炭素材料学历史上，曾与石墨、金刚石并立，被认为是碳元素三种存在状态之一。

特征

(1)C/H原子比大于10；

(2)X光衍射图中的反射线模糊不清，从总体上看是非晶态的。但这类炭质材料，不像非晶金属那样形成完全杂乱无序的原子凝集体，即呈现所谓完全无定形。碳的价电子最易取能量低的sp2杂化轨道(见碳原子杂化轨道)，形成六角碳网平面，即使在惰性气体中把金刚石加热到1800℃，金刚石也会转化为石墨。如图1所示。

无定形碳中还含有直径极小的(<30nm)二维石墨层面或三维石墨微晶，在微晶边缘上存在大量不规则的键。呋哺树脂经缓慢炭化制得的玻璃炭，除含有大量的sp2碳外，还含有不少的sp3碳。用低温化学气相沉积法制得的金刚石薄膜，虽然其中碳原子以sp3键合为主，但也有少量碳原子以sp2方式互相键合。总之不能用单一的结构模式来表征这一大类物质，用炭质材料或过渡态碳来表述比较合适。

种类介绍

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，其余主要成分都是单质碳。

煤炭是天然存在的无定形碳，其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳，并不是指这些物质存在的形状，而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨一样结构的晶体，只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱且不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地，无规则地堆积在一起，可简称为乱层结构。层间或碎片之间用金刚石结构的四面体成键方式的碳原子键连起来，这种四面体的碳原子所占的比例多，则比较坚硬，如焦碳和玻璃态碳等。纳米碳管和葱头形颗粒等结构可从球碳的结构出发来理解。

多孔黑色的块粒或粉末状碳。常见的有木炭、焦炭、炭黑、骨炭等。为微晶状碳，晶粒很小，由碳原子六角形环所构成的层为不规则堆积。高温下与氧、金属氧化物作用生成碳的氧化物。与硫和金属作用生成碳化物。

性质和用途

基本性质

无定形碳顾名思义没有特定形状和周期性结构的规律，但它内部原子的排列可从三种晶态碳的单质结构来理解。

无定形碳中石墨层的大小，因制造不同工业用途的品种和工艺而异，例如，用作橡胶填充剂的炭黑及作吸附剂用的活性炭等，它们的主体是石墨乱层结构的颗粒。粒径约为几个纳米，层间距离接近石墨晶体中的数值，约为0.34nm，碳纤维中的石墨层呈卷曲状，沿纤维轴方向延伸，煤的结构很复杂，由于生成的条件不同，石墨化程度不同，氢、氧、氮等的含量差异很大，结构的差异也很大。

无定形碳与少量砂子和氧化铁催化剂混合, 在约3500℃的电炉中加热，使产生的碳蒸气凝聚，可得人造石墨。

基本用途

炭黑：黑色粉末，一般用于黑色颜料、制作墨汁、油墨及做橡胶的耐磨增强剂等。

焦炭：浅灰色、多孔坚硬固体，一般用于冶炼金属以及生产水煤气。

木炭：灰黑色、多孔性固体，一般用于燃料、火药的制作，以及食品工业的吸附剂。

活性炭：黑色、多孔性颗粒或粉末，一般用于防毒面具中过滤空气，水的净化处理剂以及制糖的工业脱色剂。

早在15世纪就已知道属于无定形碳的木炭具有吸附性。19世纪在提纯白糖时就开始使用木炭。以后又对无定形碳进行很多处理，产生了一些种类。

由煤干馏、木材干馏、烃热分解或不完全燃烧而得。用作吸附剂、催化剂、填料、火药原料，以及用于冶金等。

无定形碳跟少量砂子、氧化铁催化剂混合，在约3500℃中加热，使产生的碳蒸气凝聚，可得人造石墨。

碳黑可用于制造油墨、油漆、墨汁等；木炭可作燃料或还原剂，用于冶炼金属；活性炭可作电冰箱的除臭剂、净水过滤器、防毒面具的滤毒罐、脱色剂等。它还有吸附能力，把气体或溶液中的有色物质附在表面上，因而使其脱色。焦碳可用作燃料和炼铁的还原剂。

无定形碳涉及的面很广，日常生活和工农业生产中常用到无定形碳。

制取方法