1、根據量子力學，核外電子運動沒有固定軌道，沒有明確的界限，只有幾率密度的分布。通常把核到最外層電子的平均距離定義為原子半徑。現代的科學技術還無法精確測定一個單獨原子的半徑，只能用實驗方法，如 X射線衍射法，測定出晶體中相同原子核間距離，或用同核雙原子分子鍵長，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學鍵的分子和晶體。 因而不同元素的原子半徑可能表現形式不同，就是同一元素的原子半徑也可能有不同形式。根據測定方法的不同，通常有3 種原子半徑：金屬半徑：金屬晶體中相鄰兩金屬原子核間距離的一半，稱做該元素原子的金屬半徑，如銅的金屬半徑r 金 127.8pm 。共

2、價半徑：同種元素的兩原子以共價鍵結合時，其共價鍵鍵長的一半稱做該元素原子的共價半徑，符號表示為pm 或 ?，其數值與幾重鍵結合有關，如碳原子的共價半徑r 共，單鍵時為77pm ，雙鍵時為67pm，三鍵時為60pm。金屬元素原子在一定條件下也可形成共價的雙原子分子，金屬元素原子也有共價半徑，如銅的共價半徑r 共 為 117pm 。由于形成共價鍵時，總會發生原子軌道重疊，通常同一金屬元素的金屬半徑比其單鍵共價半徑要大10% 15%。同周期元素的單鍵共價半徑的變化規律為從左至右逐漸縮小，可認為是原子核對電子引力增大的緣故 范氏半徑：（ 范德華氏半徑的簡稱） 非金屬元素和有些金屬元素所形成的分子間或稀

3、有氣體單原子分子間靠分子間力（ 范德華力） 相互吸引， 其不同分子中兩個相同原子核間距離的一半，稱做該元素原子的范氏半徑，如氯原子 的 范 氏 半 徑 r范為 181pm 。如左圖所示，表示了氯原子的共價半徑和范氏半徑。原子半徑數據只有相對的、近似的意義，而且同一元素的不同半徑，數值不同 （r 范 >r 金 >r 共 ），而且相差較大。使用時不要同時用不同半徑的數據。在一般的資料里， 金屬元素有金屬半徑和共價半徑的數據，非金屬元素則有共價半徑和范氏半徑的數據，稀有氣體只有范氏半徑的數據。而離子半徑是表示離子大小的一個物理量。在離子型晶體中，組成晶格的質點是大小不等的圓球狀的正負離子

4、，因為具有稀有氣體電子層結構的離子，都有球面對稱性，而且離子間極化影響不大，可把晶體中離子看做圓球。在晶體中，兩個帶異號電荷的圓球互相接觸，到一定平衡距離時就不再接近了?，F代測試手段還不能直接量取正負離子球體的半徑。一般所說的離子半徑是：離子晶體中正負離子的核間距離是正負離子的半徑之和。正負離子的核間距為d ，則d=r+r- 。數值 d 可通過晶體的X 射線衍射分析實驗測得。并以氟離子F-半徑=133pm ，或氧離子O2-半徑 =132pm 作為標準，然后再推算出其他離子半徑。如實驗測得的氟化鈉的d=230pm ， 則 Na+ 的半徑是230-133=97pm 。 離子半徑的大小還要受離子化合

5、物構型的影響。一般以氯化鈉構型的半徑作為標準，即以配位數為6 作標準（ 在每一個鈉離子周圍直接連有6 個氯離子，反之亦然。將與鈉離子或氯離子直接相連的帶異電荷的離子數稱為配位數） 。如離子實際配位數為 8，則半徑值應增加約3%，若配位數為4，則半徑值應下降約5%，在周期表各族中， 離子半徑一般隨原子序數的遞增而增大。同一周期中，陽離子的電荷數越大，它的半徑越小，陰離子的電荷數越大，它的半徑越大。當原子失去電子變成陽離子時，半徑要縮小，如納原子的半徑為137pm ，而鈉離子半徑是97pm。當原子得到電子變成陰離子時半徑要增大，例如氯原子的半徑是99pm ，而氯離子的半徑是181pm。若同一元素能

6、形成幾種不同電荷的離子時，高價離子的半徑小于低價離子的半徑。例如Fe2+離子半徑是74pm， Fe3+離子半徑是64pm。負離子的半徑較大，約為130 250pm，正離子半徑較小，約為10 170pm。根據正、 負離子半徑值可導出正負離子的半徑和及半徑比，這是闡明離子化合物性能和結構型式的兩項重要因素。參考文獻吳永仁 主編 . 中國中學教學百科全書化學卷. 沈陽：沈陽出版社.1990. 第 38頁.吳永仁 主編 . 中國中學教學百科全書化學卷. 沈陽：沈陽出版社.1990. 第42-43 頁 .l.無機化學. 上冊 / 北京師范大學無機化學教研室等編. 4 版 . 北京： 高等教育出版社 .2

7、002.8 （ 2005重?。└叩葞煼痘瘜W系本科教材ISBN 7-04-010768-6.碳材料的分類、應用和研究進展姓名：陳衛強年級班別：07 材料化學3 班 學號： 200730750305碳材料是以煤、石油和它們的加工產物等有機物作為主要原料，經過一系列加工處理所制得的非金屬材料，主要成分是碳。碳材料是一種古老的材料，早在數千年前就用作金屬冶煉的還原劑和燃料，即利用其化學性質；從十九世紀開始，相繼制成電池電極、電弧碳棒、電機炭刷直至煉鋼電弧爐用電極，即利用其物理性質。 碳材料又是一種新型的材料，二次世界大戰后，碳材料被用作核反應堆的減速劑和屏蔽材料。1960 年前后，碳纖維問世，打破了碳

8、材料的傳統概念，從此人們更加重視的是利用碳材料的功能性質。當今， 碳材料已發展成為一大類品種繁多、用途廣泛、功能優異的材料，大量應用于冶金、化工、機械、電子、電器、航空、核能、醫藥等工業領域和生物工程、文體器材等民用方面，成為國民經濟不可缺少的材料。碳材料的結構可以從堆積方式、晶體學和對稱性等多個角度來劃分。從晶體學角度而言可劃分為晶體和無定形。從堆積方式可以分為石墨、玻璃碳、 碳纖維和炭黑等。從對稱性來分類可分為非對稱、點對稱、 軸對稱和面對稱等（ 圖 8.1） 。根據石墨化程度，碳材料一般分為石墨類和非石墨類。石墨類有天然石墨、人造石墨及石墨化碳材料，包括碳纖維、改性石墨（MG）、復合石墨

9、（CG）、處理人造石墨 （TAG）、石墨化的中間相碳微球（MCMB等。非石墨類碳材料根據其結構特性可 ）分為兩類：易石墨化碳及難石墨化碳。也就是通常所說的軟炭和硬炭。一般情況下，軟炭由其前體如石油焦、泊及煤焦瀝青等炭化制備而來，含有大量的C H鍵。軟炭在2500 K 高溫下石墨化后，在電子顯微鏡下顯示出十分清晰的石墨層狀結構。 這些材料中的碳先形成中間體液態相（ 中間相） ， 這樣有助于形成石墨狀結構所必需的三維有序轉變。而硬炭由炭化其前體如熱固性聚合物（ 如酚醛樹脂、糠醇、二乙烯苯苯乙烯共聚物） 、纖維素、蔗糖、焦炭及椰子殼等制備而來，所含C H鍵很少，這些碳材料是在炭化步驟中通過固態轉變而

10、得到。硬炭在 3000K高溫熱處理后，在電子顯微鏡下仍然顯示出相互纏繞的無序結構。硬炭不能通過熱處理生成石墨結構的一種解釋是，由于有一個sp3的強交聯鍵存在而阻止了碳原子的運動與再取向以生成石墨的有序層狀結構。非石墨類碳材料通常是無序結構，結晶度（ 或石墨化度） 低，晶粒尺寸小，晶面距較大，與電解液的相容性較好。與軟炭相比，硬炭的晶粒較小，晶粒取向更為不規則，晶面距較大，一般在0.35 0.40 nm， 而軟炭則為0.35nm左右。 另外， 硬炭通常密度較小，表面多孔。由于軟炭和石墨的結晶性比較類似，一般認為在理離子電池中它們比硬炭更容易插入鏗，即容易充電，安全性也更好些。碳材料的應用范圍十分

11、廣泛，如在冶金工業中，碳管爐主要用于硬質合金材料、 觸頭材料、粉未冶金材料、精密陶瓷、高溫元件、碳化鎢等產品的高溫燒結；碳納米纖維具有和碳納米管相似的機械強度、熱穩定性、導電性和比表面積，二者均可作為良好的金屬納米顆粒催化劑載體，在催化、 燃料電池和高靈敏的化學/ 生物傳感領域具有廣闊的應用前景；納米碳復合材料電發熱膜，其高溫性能穩定， 長期使用溫度可達到220度，功率可到2000W， 其電熱轉換率高達99以上，是目前電發熱材料中最高的，比普通電阻絲節能30以上，其高溫發熱時能產生 2 18um的紅外和遠紅外線。具有遠紅外線保健作用；高性能體育器材與休閑用品均用碳纖維復合材料制作，如網球拍、羽

12、毛球拍、高爾夫球桿、釣魚桿、賽車、自行車、滑雪板、賽艇等; 醫療衛生方面用于制作X 光照像床、X 光底片暗盒和換片器、骨夾板、人工關節、假肢等; 在機械、化工、汽車、紡織、電器等行業， 應用面不斷拓寬；碳碳復合材料主要由剛性碳化纖維和熱解碳等基質構成。 是一種廣為人知的航空航天材料。另外還用于人造心臟瓣膜和一種新型的植入式左心室輔助裝置。碳材料在強化傳熱領域中的應用，在工業余熱和廢熱的回收和利用方面，換熱器是常見的裝置。目前， 換熱器主要是由具有高導熱系數的鋁和銅 ( 鋁 6061 的導熱系數為180W/(m K)， 銅的導熱系數為400W/(m K) 制成的。 然而， 因為金屬的比重大，當考

13、慮到單位導熱系數( 即每克物質的導熱系數)時，它們就分別只有54W/(m K)和45W/(m K)。因此，當換熱器需要在一些經常移動的場合使用時，就希望能尋找到一種更輕便的導熱材料。從中間相瀝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導熱系數( 約為銅的5 倍 ) ， 并且其主體導熱系數也表現出很高的數值。因而， 其具有質輕和高導熱的特點。Klett 和 McMillian 等 1 依據石墨泡沫的這一特點，以石墨泡沫替代常用的鋁和銅制材料，以期獲得更大熱導率和更輕質量的換熱器。研究結果表明: 用高導熱系數的石墨泡沫材料作為換熱器的材質會比采用傳統材料的換熱器在導熱系數上提

14、高10 倍。而高導熱系數材料可在換熱條件相似時大幅降低換熱管的數目。因此，在同樣的散熱速率條件下，應用了石墨泡沫的汽車散熱器截面減少了50%。而減小尺寸又會減少換熱器的重量，生產成本及系統的總體積，從而提高燃料利用效率現今，人們主要花更多的時間和精力去研究新型碳材料，發掘功能更為強大的碳材料，為我們的生活和生產帶來意想不到的效果，實現我們曾經的夢想。目前， 研究較多和應用比較廣泛的新型生物質碳材料有各種生物質碳纖維、生物質活性碳纖維、生物質碳分子篩。1. 生物質碳纖維：碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量90 %以上。它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、高溫狀態下炭化而制得。作為高性能纖維的一種，碳

15、纖維既有碳材料的固有特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是先進復合材料最重要的增強材料。由于其特有的高比強度、高拉伸模量、低密度、耐高溫、抗燒蝕、 低熱膨脹等特殊性能，已成為發展航天航空等尖端技術和軍事工業必不可少的新材料。目前碳纖維制備方法主要有有機纖維法和氣相生長法。以各種生物質原料為前驅體的碳纖維，其制備大多采用有機纖維法，即采用不同的有機纖維為原料，經紡絲、氧化、炭化、石墨化、表面處理、上膠、卷繞及包裝，分別制得各種不同性能的碳纖維和石墨纖維。2. 生物質活性碳纖維：活性碳纖維activated carbon fiber ， ACF 是將碳纖維及可炭化纖維經過物理活化、化學活化或兩者兼

16、有的活化反應所制得的具有豐富和發達孔隙結構的功能型碳纖維。常使用的活化劑是水蒸氣和二氧化碳CO2或兩者同時使用?；钚蕴祭w維多用作吸附材料、催化劑載體、電極材料等。有別于作為增強體的碳纖維，ACF的力學性能并不高，不能用作結構材料件; 但由于比一般活性碳有著更為優越的孔隙結構和形態，成為各國積極開發的第三代活性碳吸附材料。3. 生物質碳分子篩：碳分子篩carbon molecular sieves ，簡記 CMS 是在20 世紀末期發展起來的一種具有較為均勻微孔結構的碳質吸附劑材料。它具有接近被吸附分子直徑的楔形狹縫狀微孔，能夠把立體結構大小有差異的分子分離開來。作為碳質吸附劑，CMS與活性碳在

17、化學組成上并沒有本質區別，但是CMS的孔隙率遠低于活性碳，其孔隙以微孔為主，微孔孔徑分布集中在013 110 nm范圍內。 碳分子篩的吸附分離是基于動力學效應，主要是其孔徑分布可使不同的氣體以不同的速度擴散進入其中的孔隙中，而不會排斥混合氣體中的任何一種氣體。 碳分子篩已經用于空氣分離制氮、催化劑載體、脫除天然氣中的雜質CO2 和H2O、色譜的固定相，從焦爐氣、高爐氣等氣體中回收氫氣等方面。碳分子篩的制備工藝因原材料的不同而存在差異。以生物質為原料的、粒狀在CMS的制造過程中 ， 炭化、 活化和調整孔徑都很重要， 如果活化出的孔徑過大則不利于進一步的碳沉積調孔，過小則在碳沉積的過程中會將小孔堵

18、死，所以控制好工藝條件活化出適當的孔徑，有利于進一步的碳沉積縮孔。而在其他方面，碳材料的實用性也是令人滿意的。如多數碳材料具有耐熱性能優良，高導熱系數，良好化學惰性，高電導率等優點。近年來，質輕且導熱性好的石墨材料和碳纖維等碳材料在熱能領域的應用越來越受到人們的關注和重視。 應用于熱能領域的石墨材料主要是天然鱗片石墨，石墨泡沫，膨脹石墨和壓縮后的膨脹石墨。而碳纖維最初是作為先進復合材料中最重要的增強材料出現的，但目前其用途還在不斷擴展，已逐漸應用于體育休閑用品，電子產品，交通工具， 基礎設施和能源領域。碳纖維根據其生產所用的原絲的不同，分為聚丙烯腈基(PAN)碳纖維，瀝青基碳纖維絲和纖維素基碳纖維絲。聚丙烯腈基(PAN)碳纖維的導熱系數為10 160W/(m K)， 而中間相瀝青碳纖維由于石墨結構沿纖維軸高度擇優取向，具有極高的導熱率，是理想的高導熱功能材料。如美國Amoco公司生產的K1100，其軸向導熱系數高達1100W/(m K)。以豐富的生物質資源開發研制新型碳材料將能緩解由于化石