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1、区别金属原子半径、离子半径、共价半径和范德华半径区别金属原子半径、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： 金属半径：金属晶
2、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。 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 ，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
3、电子引力增大的缘故 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
4、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
5、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
6、的半径是99pm，而氯离子的半径是18 1pm。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130250pm，正离子半径较小，约为10170pm。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:/ l. 无机化学.上册/北京师范大学无机
7、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
8、，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
9、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CH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、
10、焦炭及椰子壳等制备而来，所含CH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0.350.40 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
11、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218um的红外和远红外线。
12、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/(mK)，
13、铜的导热系数为400W/(mK)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5 4W/(mK)和45W/(mK)。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。Kle tt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
14、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
15、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 carbo
16、n 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，
