区别金属原子半径、离子半径、共价半径及范德华半径及碳材料的分类及应用

第一篇：区别金属原子半径、离子半径、共价半径及范德华半径及碳材料的分类及应用

区别金属原子半径、离子半径、共价半径和范德华半径

根据量子力学，核外电子运动没有固定轨道，没有明确的界限，只有几率密度的分布。通常把核到最外层电子的平均距离定义为原子半径。现代的科学技术还无法精确测定一个单独原子的半径，只能用实验方法，如X射线衍射法，测定出晶体中相同原子核间距离，或用同核双原子分子键长，被2相除得出。不同元素原子有不同的存在形式，就是同一元素的原子也可能形成不同化学键的分子和晶体。因而不同元素的原子半径可能表现形式不同，就是同一元素的原子半径也可能有不同形式。根据测定方法的不同，通常有3种原子半径：

①金属半径：金属晶体中相邻两金属原子核间距离的一半，称做该元素原子的金属半径，如铜的金属半径r金＝127.8pm。

②共价半径：同种元素的两原子以共价键结合时，其共价键键长的一半称做该元素原子的共价半径，符号表示为 pm 或 Å，其数值与几重键结合有关，如碳原子的共价半径r共，单键时为77pm，双键时为67pm，三键时为60pm。金属元素原子在一定条件下也可形成共价的双原子分子，金属元素原子也有共价半径，如铜的共价半径r共为117pm。由于形成共价键时，总会发生原子轨道重叠，通常同一金属元素的金属半径比其单键共价半径要大10%～15%。同周期元素的单键共价半径的变化规律为从左至右逐渐缩小，可认为是原子核对电子引力增大的缘故

③ 范氏半径：(范德华氏半径的简称)非金属元素和有些金属元素所形成的分子间或稀有气体单原子分子间靠分子间力(范德华力)相互吸引，其不同分子中两个相同原子核间距离的一半，称做该元素原子的范氏半径，如氯原子的范氏半径r范为181pm。如左图所示，表示了氯原子的共价半径和范氏半径。

原子半径数据只有相对的、近似的意义，而且同一元素的不同半径，数值不同(r范>r金>r共)，而且相差较大。使用时不要同时用不同半径的数据。在一般的资料里，金属元素有金属半径和共价半径的数据，非金属元素则有共价半径和范氏半径的数据，稀有气体只有范氏半径的数据。

而离子半径是表示离子大小的一个物理量。在离子型晶体中，组成晶格的质点是大小不等的圆球状的正负离子，因为具有稀有气体电子层结构的离子，都有球面对称性，而且离子间极化影响不大，可把晶体中离子看做圆球。在晶体中，两个带异号电荷的圆球互相接触，到一定平衡距离时就不再接近了。现代测试手段还不能直接量取正负离子球体的半径。一般所说的离子半径是： 离子晶体中正负离子的核间距离是正负离子的半径之和。正负离子的核间距为d，则d=r++r-。数值d可通过晶体的X射线衍射分析实验测得。并以氟离子F-半径=133pm，或氧离子O2-半径=132pm作为标准，然后再推算出其他离子半径。如实验测得的氟化钠的d=230pm，则Na+的半径是230-133=97pm。离子半径的大小还要受离子化合物构型的影响。一般以氯化钠构型的半径作为标准，即以配位数为6作标准(在每一个钠离子周围直接连有6个氯离子，反之亦然。将与钠离子或氯离子直接相连的带异电荷的离子数称为配位数)。如离子实际配位数

为8，则半径值应增加约3%，若配位数为4，则半径值应下降约5%，在周期表各族中，离子半径一般随原子序数的递增而增大。同一周期中，阳离子的电荷数越大，它的半径越小，阴离子的电荷数越大，它的半径越大。当原子失去电子变成阳离子时，半径要缩小，如纳原子的半径为137pm，而钠离子半径是97pm。当原子得到电子变成阴离子时半径要增大，例如氯原子的半径是99pm，而氯离子的半径是181pm。若同一元素能形成几种不同电荷的离子时，高价离子的半径小于低价离子的半径。例如Fe2+离子半径是74pm，Fe3+离子半径是64pm。负离子的半径较大，约为130～250pm，正离子半径较小，约为10～170pm。根据正、负离子半径值可导出正负离子的半径和及半径比，这是阐明离子化合物性能和结构型式的两项重要因素。

参考文献

吴永仁 主编.中国中学教学百科全书〃化学卷.沈阳：沈阳出版社.1990.第38页.吴永仁 主编.中国中学教学百科全书〃化学卷.沈阳：沈阳出版社.1990.第42-43页.http://hi.baidu.com/hongshijie/blog/item/eea484c88f9305127f3e6fed.html.无机化学.上册/北京师范大学无机化学教研室等编.—4版.—北京：高等教育出版社.2002.8（2005重印）高等师范化学系本科教材 ISBN 7-04-010768-6.碳材料的分类、应用和研究进展

姓名：陈卫强 年级班别：07材料化学3班 学号：200730750305 碳材料是以煤、石油和它们的加工产物等有机物作为主要原料，经过一系列加工处理所制得的非金属材料，主要成分是碳。碳材料是一种古老的材料，早在数千年前就用作金属冶炼的还原剂和燃料，即利用其化学性质；从十九世纪开始，相继制成电池电极、电弧碳棒、电机炭刷直至炼钢电弧炉用电极，即利用其物理性质。碳材料又是一种新型的材料，二次世界大战后，碳材料被用作核反应堆的减速剂和屏蔽材料。1960年前后，碳纤维问世，打破了碳材料的传统概念，从此人们更加重视的是利用碳材料的功能性质。当今，碳材料已发展成为一大类品种繁多、用途广泛、功能优异的材料，大量应用于冶金、化工、机械、电子、电器、航空、核能、医药等工业领域和生物工程、文体器材等民用方面，成为国民经济不可缺少的材料。

碳材料的结构可以从堆积方式、晶体学和对称性等多个角度来划分。从晶体学角度而言可划分为晶体和无定形。从堆积方式可以分为石墨、玻璃碳、碳纤维和炭黑等。从对称性来分类可分为非对称、点对称、轴对称和面对称等(图8.1)。

根据石墨化程度，碳材料一般分为石墨类和非石墨类。石墨类有天然石墨、人造石墨及石墨化碳材料，包括碳纤维、改性石墨(MG)、复合石墨(CG)、处理人造石墨(TAG)、石墨化的中间相碳微球(MCMB)等。非石墨类碳材料根据其结构特性可分为两类：易石墨化碳及难石墨化碳。也就是通常所说的软炭和硬炭。一般情况下，软炭由其前体如石油焦、泊及煤焦沥青等炭化制备而来，含有大量的C—H键。软炭在2500 K高温下石墨化后，在电子显微镜下显示出十分清晰的石墨层状结构。这些材料中的碳先形成中间体液态相(中间相)，这样有助于形成石墨状结构所必需的三维有序转变。而硬炭由炭化其前体如热固性聚合物(如酚醛树脂、糠醇、二乙烯苯—苯乙烯共聚物)、纤维素、蔗糖、焦炭及椰子壳等制备而来，所含C—H键很少，这些碳材料是在炭化步骤中通过固态转变而得到。硬炭在3000 K高温热处理后，在电子显微镜下仍然显示出相互缠绕的无序结构。硬炭不能通过热处理生成石墨结构的一种解释是，由于有一个sp3的强交联键存在而阻止了碳原子的运动与再取向以生成石墨的有序层状结构。非石墨类碳材料通常是无序结构，结晶度(或石墨化度)低，晶粒尺寸小，晶面距较大，与电解液的相容性较好。与软炭相比，硬炭的晶粒较小，晶粒取向更为不规则，晶面距较大，一般在0.35—0.40 nm，而软炭则为0.35nm左右。另外，硬炭通常密度较小，表面多孔。由于软炭和石墨的结晶性比较类似，一般认为在理离子电池中它们比硬炭更容易插入铿，即容易充电，安全性也更好些。

碳材料的应用范围十分广泛，如在冶金工业中，碳管炉主要用于硬质合金材料、触头材料、粉未冶金材料、精密陶瓷、高温元件、碳化钨等产品的高温烧结；碳纳米纤维具有和碳纳米管相似的机械强度、热稳定性、导电性和比表面积，二者均可作为良好的金属纳米颗粒催化剂载体，在催化、燃料电池和高灵敏的化学/生物传感领域具有广阔的应用前景；纳米碳复合材料电发热膜，其高温性能稳定，长期使用温度可达到220度，功率可到2000W，其电热转换率高达99％以上，是目前电发热材料中最高的，比普通电阻丝节能30％以上，其高温发热时能产生2～18um的红外和远红外线。具有远红外线保健作用；高性能体育器材与休闲用品均用碳纤维复合材料制作，如网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、赛车、自行车、滑雪板、赛艇等;医疗卫生方面用于制作X光照像床、X光底片暗盒和换片器、骨夹板、人工关节、假肢等;在机械、化工、汽车、纺织、电器等行业，应用面不断拓宽；碳—碳复合材料主要由刚性碳化纤维和热解碳等基质构成。是一种广为人知的航空航天材料。另外还用于人造心脏瓣膜和一种新型的植入式左心室辅助装置。碳材料在强化传热领域中的应用，在工业余热和废热的回收和利用方面，换热器是常见的装置。目前，换热器主要是由具有高导热系数的铝和铜(铝6061的导热系数为180W/(m〃K)，铜的导热系数为400W/(m〃K))制成的。然而，因为金属的比重大，当考虑到单位导热系数(即每克物质的导热系数)时，它们就分别只有54W/(m〃K)和45W/(m〃K)。因此，当换热器需要在一些经常移动的场合使用时，就希望能寻找到一种更轻便的导热材料。从中间相沥青中提取的石墨泡沫具有各向同性，石墨泡沫中的石墨微晶具有非常高的导热系数(约为铜的5倍)，并且其主体导热系数也表现出很高的数值。因而，其具有质轻和高导热的特点。Klett和McMillian等[1]依据石墨泡沫的这一特点，以石墨泡沫替代常用的铝和铜制材料，以期获得更大热导率和更轻质量的换热器。研究结果表明:用高导热系数的石墨泡沫材料作为换热器的材质会比采用传统材料的换热器在导热系数上提高10倍。而高导热系数材料可在换热条件相似时大幅降低换热管的数目。因此，在同样的散热速率条件下，应用了石墨泡沫的汽车散热器截面减少了50%。而减小尺寸又会减少换热器的重量，生产成本及系统的总体积，从而提高燃料利用效率……

现今，人们主要花更多的时间和精力去研究新型碳材料，发掘功能更为强大的碳材料，为我们的生活和生产带来意想不到的效果，实现我们曾经的梦想。目前，研究较多和应用比较广泛的新型生物质碳材料有各种生物质碳纤维、生物质活性碳纤维、生物质碳分子筛。

1.生物质碳纤维：碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量 90 %以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下炭化而制得。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料。由于其特有的高比强度、高拉伸模量、低密度、耐高温、抗烧蚀、低热膨胀等特殊性能，已成为发展航天航空等尖端技术和军事工业必不可少的新材料。目前碳纤维制备方法主要有有机纤维法和气相生长法。以各种生物质原料为前驱体的碳纤维，其制备大多采用有机纤维法，即采用不同的有机纤维为原料，经纺丝、氧化、炭化、石墨化、表面处理、上胶、卷绕及包装，分别制得各种不同性能的碳纤维和石墨纤维。

2.生物质活性碳纤维：活性碳纤维 activated carbon fiber，ACF 是将碳纤维及可炭化纤维经过物理活化、化学活化或两者兼有的活化反应所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能型碳纤维。常使用的活化剂是水蒸气和二氧化碳 CO2或两者同时使用。活性碳纤维多用作吸附材料、催化剂载体、电极材料等。有别于作为增强体的碳纤维，ACF的力学性能并不高，不能用作结构材料件;但由于比一般活性碳有着更为优越的孔隙结构和形态，成为各国积极开发的第三代活性碳吸附材料。

3.生物质碳分子筛：碳分子筛 carbon molecular sieves，简记 CMS 是在20 世纪末期发展起来的一种具有较为均匀微孔结构的碳质吸附剂材料。它具有接近被吸附分子直径的楔形狭缝状微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。作为碳质吸附剂，CMS与活性碳在化学组成上并没有本质区别，但是 CMS的孔隙率远低于活性碳，其孔隙以微孔为主，微孔孔径分布集中在013～110 nm范围内。碳分子筛的吸附分离是基于动力学效应，主要是其孔径分布可使不同的气体以不同的速度扩散进入其中的孔隙中，而不会排斥混合气体中的任何一种气体。碳分子筛已经用于空气分离制氮、催化剂载体、脱除天然气中的杂质 CO2 和 H2O、色谱的固定相，从焦炉气、高炉气等气体中回收氢气等方面。碳分子筛的制备工艺因原材料的不同而存在差异。以生物质为原料的、粒状在CMS的制造过程中，炭化、活化和调整孔径都很重要，如果活化出的孔径过大则不利于进一步的碳沉积调孔，过小则在碳沉积的过程中会将小孔堵死，所以控制好工艺条件活化出适当的孔径，有利于进一步的碳沉积缩孔。

而在其他方面，碳材料的实用性也是令人满意的。如多数碳材料具有耐热性能优良，高导热系数，良好化学惰性，高电导率等优点。近年来，质轻且导热性好的石墨材料和碳纤维等碳材料在热能领域的应用越来越受到人们的关注和重视。应用于热能领域的石墨材料主要是天然鳞片石墨，石墨泡沫，膨胀石墨和压缩后的膨胀石墨。而碳纤维最初是作为先进复合材料中最重要的增强材料出现的，但目前其用途还在不断扩展，已逐渐应用于体育休闲用品，电子产品，交通工具，基础设施和能源领域。碳纤维根据其生产所用的原丝的不同，分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维，沥青基碳纤维丝和纤维素基碳纤维丝。聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的导热系数为10～160W/(m〃K)，而中间相沥青碳纤维由于石墨结构沿纤维轴高度择优取向，具有极高的导热率，是理想的高导热功能材料。如美国Amoco公司生产的K1100，其轴向导热系数高达1100W/(m〃K)。

以丰富的生物质资源开发研制新型碳材料将能缓解由于化石资源的枯竭而带来的工业和民用材料的短缺问题，能最大程度的降低各种碳材料的生产成本，加快推进新型碳材料的应用领域。为此，作者认为，今后生物质碳材料的研究应该着重于:1 在兼顾环保的前提下，加大开发各种生物质资源如木、竹、藤、农业废弃物等为原料的新型生物质碳材料的研究开发力度;2 重点研究开发复合化、高性能、应用广的生物质碳料，如离子交换生物质碳纤维，提高生物质资源的使用价值;3 综合应用各种生物质原料，开发具有多种生物质原料的碳材料，如竹木、竹藤等混合碳材料。随着生物质碳材料研究的深入和加工技术的发展以生物

质为原料的新型碳材料必将给材料科学的发展带来新的革命。

参考文献

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