[科普中国]-金刚石和石墨有何不同

提起钻石，你可能会想到光彩夺目、闪烁耀眼的精美饰品，以及它昂贵的价格；提起石墨，你可能会想到黑乎乎、滑腻腻的碳棒。纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体；石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨很软，在纸上画过可留下痕迹，有滑腻感。金刚石和石墨“形”或“性”有着天壤之别，但它们具有相同的“质”，它们是一对“孪生”兄弟，都由碳元素组成，被称“同素异形体”。

金刚石可以用来切割玻璃、做钻头，因为它的硬度很大；石墨可以用来做铅笔芯、润滑剂，这是因为它很软、有滑腻感。按照莫氏硬度标准，金刚石为最高级。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石和石墨同样由碳原子构成，金刚石为什么会如此的坚硬，这取决于它的分子结构。

下图是金刚石的结构模型。每个碳原子都与周围的4个碳原子通过强烈的相互作用紧密结合。“紧密结合”的两个碳原子之间的距离约为0.155nm，从而形成致密的三维结构，正是这种致密的结构，使得金刚石成为天然存在的最坚硬的物质。

而石墨是层状的结构，就一个片层而言，每1个碳原子会与其周围的3个碳原子通过强烈的相互作用紧密结合，“紧密结合”的两个碳原子之间的距离约为0.142nm。在石墨中层与层之间相距为0.335nm，由于距离比较大，碳原子的相互作用较弱，因此很容易沿着与层面平行的方向滑动、裂解，所以石墨很软、有滑腻感。

金刚石和石墨相比，结构更为致密。金刚石的密度大约是石墨的1.5倍左右（金刚石的密度约为3.5-3.53g/cm³，石墨的密度约为2.09–2.23g/cm³）。

碳原子通过强烈的相互作用（化学键）紧密结合时，原子间的距离越小，相互作用越强。在石墨的一个片层中，碳原子间的距离比金刚石小，相互作用更强，更难被破坏，所以石墨的熔点更高。

如下表所示，金刚石和石墨的熔点不同，但沸点却相同，这又是为什么呢？物质的物态变化与微粒间的距离是有一定关系的。石墨和金刚石熔化以后，碳原子原来的排列方式被打破，原子间的距离相等，相互作用强度也相同，所以沸点相同。

我们都知道，石墨具有导电性。这与石墨的结构也有密切关系。碳原子最外层有4个电子，在石墨的一个片层中，每个碳原子会与其周围的3个碳原子通过“共用电子对”形成强烈的相互作用（化学键），每个碳原子只有3个最外层电子参与这种“力”的形成，这样就会剩下1个自由电子。因为有大量自由电子存在，所以石墨能导电。而金刚石中每个碳原子与其周围的4个碳原子通过“共用电子对”形成强烈的相互作用，碳原子最外层的4个电子几乎都参与了这种“力”的形成，基本没有自由电子，所以基本不导电。

结构可以决定性质，金刚石和石墨都由碳原子构成，但是因为原子排列方式不同，导致很多物理性质有很大差异。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创，转载时务请注明出处。