無定形碳

無定形碳又稱為過渡態碳，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（或無固定形狀和周期性的結構規律）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，被認為是碳元素三種存在狀態之一。

基本介紹

• 中文名：無定形碳
• 外文名：amorphous carbon
• 定義：碳氫原子比大於10
• 別稱：過渡態碳

特徵

無定形碳共同特點

(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℃，金剛石也會轉化為石墨。

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微晶，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製得的金剛石薄膜，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。總之不能用單一的結構模式來表征這一大類物質，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，可簡稱為亂層結構。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占的比例多，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。為微晶狀碳，晶粒很小，由碳原子六角形環所構成的層為不規則堆積。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周期性結構的規律，但它內部原子的排列可從三種晶態碳的單質結構來理解。

炭黑

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。粒徑約為幾個納米，層間距離接近石墨晶體中的數值，約為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、油墨及作橡膠的耐磨增強劑等。

焦炭：淺灰色、多孔堅硬固體，一般用於冶鍊金屬以及生產水煤氣。

焦炭

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，用於冶鍊金屬；活性炭可作電冰櫃的除臭劑、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。焦碳可用作燃料和煉鐵的還原劑。

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：由天然氣高溫分解製得。