炭素材料的化学性能 (chemical properties of carbon materials)

碳或炭素材料与各种气体的反应，与各种酸碱的反应，与各种金属或非金属生成碳化物的化学反应。研究碳或炭素材料的化学生能十分重要，一般来说，元素碳或各种炭质、石墨质材料的化学性质不活泼，因而是一种耐腐蚀的材料，但在一定条件下(温度、气氛或接触某种化学物质)，碳元素、炭质或石墨质材料也会被氧化、被侵蚀及发生各种化学反应，在高温下熔解于金属并生成碳化物。天然鳞片石墨在特殊条件下可生成各种石墨层间化合物。

碳与各种气体的反应 在常温时，碳与各种气体一般不发生化学反应，只有加热到一定温度反应才能进行。石墨与碳(无定形碳)比较，进行化学反应需要更高的温度。在350℃左右无定形碳即有明显的氧化反应，而石墨开始有明显氧化反应的温度大致在450℃附近。氧化反应的速度与当时的接触面积大小、无定形碳或石墨材料的气孔结构及气体压力等因素有关。无定形碳或石墨在较低的温度下，如氧气供给充分，则主要进行以下反应：

C+O2→CO2

在较高的温度下，又开始了下述反应：

2C+O2→2CO

赤热的炭或石墨与水蒸气约在700℃时开始反应：

C+H2O→CO+H2

C+2H2O→CO2+2H2

赤热的炭与CO2的氧化反应在更高的温度下才能进行，实验测定这个温度在900℃附近。

C+CO2→ 2CO

碳和石墨与氢的反应要在1000℃以上的高温下才能进行，即使达到1100℃到l500℃这样的高温也只有少量的CH4生成，除非有某种触媒存在，否则其反应速度是很慢的。

C+2H2→CH4

以上几种反应中，C+O2反应是最容易进行的，而C+H2反应是最难进行的，有的研究报告列出C+CO2、C+2H2O、C+CO2、C+H2这四类反应的速率(在800℃及0．1大气压下)的测定结果如下：

元素氟与碳即使在400℃时也会起反应，并放出大量的热：

C+2F2→CF4

但是元素氯与碳只有在引入电弧的条件下才能起反应：

C+Cl2→CCl4

炭质制品或石墨制品及各种炭质原材料的氧化反应性能与它们的最终热处理温度、杂质含量、晶格结构的完善程度、孔隙率的大小及孔隙结构状态(开口气孔的多少)、气体分子的扩散速度等诸多因素有关，炭质原材料或制品的最终热处理温度愈高，则其开始氧化温度也愈高，所以石墨制品的开始氧化温度高于炭质制品。杂质元素如铁、钠、钙、钒都能起加速氧化的触媒作用，炭质原料或制品的孔隙率愈大则氧化速度也愈快。现将受到不同温度热处理的几种炭质原料在氧气流中的开始氧化温度列于表1，两种不同质量的石墨在不同温度下的氧化损失1%及6%所需要的时间列于表2。

炭素材料与其他金属或非金属相比，与各种酸碱的反应很不活泼，除强化性酸(王水、铬酸、浓硫酸、浓硝酸)对其有侵蚀作用外，能抵抗温度在沸点以下任何浓度种类酸的侵蚀；对其他盐类溶液，除了强氧化溶液如重铬酸钾、重铬酸钠及高锰酸钾外，对沸点以下的各种盐类溶液都是稳定的。石墨在强氧化性酸及强氧化性盐类溶液中被氧化时，氧侵入石墨的层状晶格间，使石墨的晶格产生体积膨胀，生成了氧化石墨的层间化合物(见石墨层间化合物)，更进一步氧化时则分解成苯六甲酸[C6(OOOH)6]。氧化石墨又称为石墨酸，氧化石墨遇到水，其晶格层面间吸收水分子而膨胀，并产生胶凝化，再通过过滤器可以得到胶体溶液，这种胶体溶液可做成氧化石墨薄膜，氧化石墨在加热后非常不稳定，当加热到150℃以上，释放出CO2、CO、O2而分解。如再缓慢的加热到850℃，可以恢复到原来的石墨性质，但表层疏松已无法恢复原状。氧化石墨的化学式可以写成[C6(OH)3]或[C8O4]，实际上氧化石墨并无一定组成，而是随石墨的品种及氧化程度而异。

碳与金属生成碳化物的反应

碳与许多金属或金属氧化物、非金属及其氧化物在高温下能发生化学反应并生成碳化物，或者金属、非金属被还原，析出单体金属或非金属，其通式为：

MexOy+yC→yCO+xMe

当碳过量时，生成另一种碳化物：

2MexOy+3yC→2yCO+Me2xCy

所有的碳化物都是固体，碳化物不挥发，而且不溶于一般溶剂中，因此碳化物的真实分子量是个未知数，故通常用最简单的分子式来表示。所有的碳化物，按其对水和稀酸的关系，可以分为两大类。第一类是可以被水和稀酸两种物质分解的，这一类碳化物应看成是金属置换乙炔中氢原子的产物。这一类碳化物主要生成活性金属，它的一般分子式：对单价金属为Mezc2；对双价金属为MeC2；对三价金属为476Me2C6。第二类碳化物可看成是金属置换甲烷中氢原子的产物，这类碳化物已知的只有碳化铍和碳化铝，可用最简单的分子式BezC和Al4Q来表示，当受到热水和稀酸作用时，这两种碳化物就会分解出纯甲烷。碳与硫在高于700。C的温度时起反应：

C+2S→CS2

碳元素与多种金属和非金属的反应列于表3，碳元素与多种金属及非金属的氧化物的反应列于表4。

注：某些碳化物的固熔体如4TaC+1ZrC或4TaC+1HfC的熔点为4200K，是已知熔点最高的物质。

注：表中(△)为表示细磨的氧化物粉末与石墨粉还原为金属的比例计量后混合，使之在表内所列温度下还原金属并生成CO3。