第一章炭素概述研究报告.ppt

煤 天然石墨矿 天然金刚石矿 天然气 （碳氢化合物） 石油 （碳氢化合物） 动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素 存在着众多同素异形体。如金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳宾、碳烯 ），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及必威体育精装版发现的石墨烯(Graphene)。 石墨稀 富勒稀 碳纳米管 石墨 金刚石 自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。 有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物中生成炭。——炭化 炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。 煤含碳为60～90％， 木材含碳约50％， 石油含碳为80～90％， 天然石墨含碳近100％ 物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。 在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。 三种碳的同素异构体结构和性质 ——金刚石和石墨是结晶形体，无定形炭是非结晶形体，它们都是炭的同素异构体。 ——碳的三种常见不同形态的同素异构体和它们形成时所经受的压力与温度有密切关系，由于形成的压力与温度不同，同样的碳元素，可以生成不同形态和不同结构的物质，而且在一定条件下又可以转化。例如：一些无定形炭在加热到2000℃以上的高温，就可以转化为石墨，而石墨在极高的压力和高温下或通过金属触媒，又可以生成金刚石。 ——金刚石、石墨和无定形炭这三种同素异构体，由于它们在物理化学性质上存在着许多差异，且所有从煤、石油产品及其他有机化合物制取的炭素材料，在石墨化前，大多是无定形炭。 ——金刚石 结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶体结构看，有四方晶和六方晶之分。 金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。它的晶体外观十分规整。 金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差，但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已能人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。 ——人造金刚石的制备 1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。 2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。 目前所用的单质触媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金触媒； Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe； Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。 ——石墨 结构：石墨中的碳原子是成层排列的，同一层内的每一个碳原子用3个电子跟相邻的3个碳原子以共价单键结合，键长都是0.142纳米。这些碳原子排列成平面的六角网状结构，很多碳原子组成相互平行的平面，使整个晶体构成片层结构，不同层之间的距离是0.335纳米。层和层之间相邻碳原子以范德华力相连。因此石墨片层之间容易滑动，石墨晶体容易裂成鳞状薄片。碳原子中的第四个电子形成比较复杂的键，所以，石墨能导电、导热。 ——石墨的特性 石墨具有比某些金属还要高的热、电传导性，同时具有远比金属为低的热膨胀系数、很高的熔点和化学稳定性。石墨在非氧化性介质中是化学惰性的，具有很好的耐腐蚀性，除强酸和强氧化性介质外，石墨不受其他酸、碱、盐的腐蚀，不与任何有机化合物起反应。 石墨又是一种能耐高温的材料。钨是已知金属材料中熔点最高的，熔点达3410℃，但石墨在此温度下，如果在还原性气氛中，是不会熔化的，只是在3900℃(常压下)时升华为气体。 石墨还具有良好的抗热震性能，2000℃时其强度反而较常温时提高一倍。 石墨具有很好的自润滑性能，可以在忌油的场合作为抗磨润滑材料使用。 石墨的弱点是抗氧化性能差，随着温度的提高，氧化速度加剧。 ——石墨的分类 石墨 天然石墨 人造石墨 鳞片石墨 土状石墨 颗粒外形为鳞片状，外观呈银灰色，有闪闪光泽，手摸有滑腻感，并留有深灰色痕迹 颗粒外形为土粒状，呈深灰色，手摸有较少滑腻感 天然石墨一般含有较多杂质，较好的天然石墨含炭量可达到90％左右。但大多数低于此值。人造石墨纯度要高得多，一般含炭量可达99％以上。 ——无定型炭（煤炭和焦炭） 煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。 煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。 各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，无