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碳(炭黑)详细说明

时间: 2011-07-24 12:04 来源: 作者: 点击:
从微观到宏观

碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物,在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳的存在形式是多种多样的,有晶态单质碳如金刚石、石墨;有无定形碳如煤;有复杂的有机化合物如动植物等;碳酸盐如大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同,各有各的外观、密度、熔点等。

常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;不同高温下与氧反应,生成二氧化碳或一氧化碳;在卤素中只有氟能与单质碳直接反应;在加热下,单质碳较易被酸氧化;在高温下,碳还能与许多金属反应,生成金属碳化物。碳具有还原性,在高温下可以冶炼金属。

化学符号:C,元素原子量:12.01,质子数:6,原子序数:6,周期:2,族:IVA,电子层分布:2-4 ,原子体积: 4.58立方厘米/摩尔,原子半径(计算值):70(67)pm,共价半径:77 pm,范德华半径: 170 pm ,电子构型 :1s22s22p2,电子在每能级的排布: 2,4,氧化价(氧化物): 4,3,2(弱酸性),颜色和外表:黑色(石墨), 无色(金刚石),物质状态 :固态,物理属性: 反磁性,熔点:约为3550 ℃(金刚石),沸点:约为4827 ℃(升华),摩尔体积 :5.29×10-6m3/mol,元素在太阳中的含量:(ppm) 3000,元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面 23,元素在地壳中含量:(ppm)4800,莫氏硬度:石墨1-2 ,金刚石 10,氧化态: 主要为-4,,C+2, C+4 (还有其他氧化态),化学键能: (kJ /mol) C-H 411 C-C 348 C=C 614 C≡C 839 C=N 615 C≡N 891 C=O 745 C≡O 1074 ,晶胞参数: a = 246.4 pm b = 246.4 pm c = 671.1 pm α = 90° β = 90° γ = 120°,电离能:(kJ/ mol) M - M+ 1086.2 M+ - M2+ 2352 M2+ - M3+ 4620 M3+ - M4+ 6222 M4+ - M5+ 37827 M5+ - M6+ 47270,单质密度:3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨,20 ℃),电负性:2.55(鲍林标度),比热:710 J/(kg·K) ,电导率:0.061×10-6/(米欧姆)

热导率:129 W/(m·K) 第一电离能 1086.5 kJ/mol 第二电离能 2352.6 kJ/mol 第三电离能 4620.5 kJ/mol 第四电离能 6222.7 kJ/mol 第五电离能 37831 kJ/mol 第六电离能 47277.0 kJ/mol

成键:碳原子一般是四价的,这就需要4个单电子,但是其基态只有2个单电子,所以成键时总是要进行杂化。最常见的杂化方式是sp3杂化,4个价电子被充分利用,平均分布在4个轨道里,属于等性杂化。这种结构完全对称,成键以后是稳定的σ键,而且没有孤电子对的排斥,非常稳定。金刚石中所有碳原子都是这种以此种杂化方式成键。烷烃的碳原子也属于此类。

根据需要,碳原子也可以进行sp2或sp杂化。这两种方式出现在成重键的情况下,未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道,与邻原子的p轨道成π键。烯烃中与双键相连的碳原子为sp 2杂化。 由于sp2杂化可以使原子共面,当出现多个双键时,垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系。苯是最典型的共轭体系,它已经失去了双键的一些性质。石墨中所有的碳原子都处于一个大的共轭体系中,每一个片层有一个。

炭黑是由烃类物质,经不完全燃烧而制得的具有高度分散性的黑色粉状物质;它的主要是由碳元素组成,其微晶具有准石墨结构,且呈同心取向,其粒子由近乎球形或其他不规则形状的聚熔体构成。

本篇以N330为例介绍炭黑。

(N330属于高耐磨炉黑,英文名称:High abrasion fumace black,英文简写:HAF。粒径26-30,吸油值82g/kg,吸碘10210-5m3/kg,水分:<0.2%,灰分:<0.25%,二苯胍吸着率:4.0-7.5%,PH值6-8,100目筛余物:0.02%。杂质:无,抗张强度270kg/cm2,伸长率:500%,300%定伸应力120-155,磨耗0.3。)

基本最小构架:由六个碳原子组成一个正六角型结构,其他碳原子又以这个六边形为一个边构成六边形,每个碳原子间距0.142nm,有多个六边形碳结构组成一层。

炭黑微晶:多层基本最小构架叠在一起,形成一个微晶,其中两层平面间距0.344nm。每个微晶层数为3-5层,单个微晶碳原子数量:375个。炭黑微晶高度1.17nm,宽度1.6,长度2.0nm。另外炭黑也不全是微晶构成,其中无序碳占15%,平行层占83%,单层占2%,微晶层数,3层占0.7,4层0.3。

炭黑基本结构:大量微晶围绕一个核心一层层向外排列。形成一个像树的年轮一样的结构。但炭黑的结构到这里还没有说完。炭黑的核心不止一个,而是由数个或数十个核心,炭黑微晶就是围绕着这些核心一圈一圈的向外排列。另外需要指出的是,这些炭黑层在最外层表现的较为有序,但在内部则显得比较混乱。

炭黑的基本单元:聚集体就是炭黑的基本结构,也是炭黑运用的最基本单元。

炭黑聚集体的尺寸平均长约160nm,宽45nm,由数十个碳黑粒子熔聚而成。聚集体的外比表面积就是他的吸碘值,复杂程度就是结构高低。

炭黑聚集体的形状多样,其中球形占8.6%,椭球型:37.6%,纤维型占53.6%。

炭黑组成:碳元素97.96%,氢元素0.3%,氧元素0.83%,硫元素0.5%,灰分0.32%。

炭黑中灰分组成:原料油中灰分,设备腐蚀,急冷水中所含的盐分和固体残渣。

筛余物组成:硬碳70-80%,硬碳描述,片状,碎石油焦和球形。硬碳的形成是油枪喷雾过程中没有雾化的油滴形成。

炭黑比重:1.86。表面积:电子显微镜:83,CTAB法:81,干炭黑反射率法73,反射率50.6%,低温氮吸附法79,吸碘82。挥发份组成:含氧复合物(CxOy),主要是炭黑表面官能团,在400-1600度脱出氢,一氧化碳,二氧化碳,水。含氧基团包括,羧基,酚基,醌基,内脂基。

炭黑视比重,粒状1.359,粉状1.455。(end)

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