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金剛石與石墨性質上有什麼不同
金剛石與石墨性質上有什麼不同
更新时间:2024-04-22 14:04:23

提起鑽石,你可能會想到光彩奪目、閃爍耀眼的精美飾品,以及它昂貴的價格;提起石墨,你可能會想到黑乎乎、滑膩膩的碳棒。純淨的金剛石是無色透明、正八面體形狀的固體;石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細鱗片狀固體。石墨很軟,在紙上畫過可留下痕迹,有滑膩感。金剛石和石墨“形”或“性”有着天壤之别,但它們具有相同的“質”,它們是一對“孿生”兄弟,都由碳元素組成,被稱“同素異形體”。

金剛石可以用來切割玻璃、做鑽頭,因為它的硬度很大;石墨可以用來做鉛筆芯、潤滑劑,這是因為它很軟、有滑膩感。按照莫氏硬度标準,金剛石為最高級。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質。金剛石和石墨同樣由碳原子構成,金剛石為什麼會如此的堅硬,這取決于它的分子結構。

下圖是金剛石的結構模型。每個碳原子都與周圍的4個碳原子通過強烈的相互作用緊密結合。“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.155nm,從而形成緻密的三維結構,正是這種緻密的結構,使得金剛石成為天然存在的最堅硬的物質。

金剛石與石墨性質上有什麼不同(金剛石和石墨有何不同)1

而石墨是層狀的結構,就一個片層而言,每1個碳原子會與其周圍的3個碳原子通過強烈的相互作用緊密結合,“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.142nm。在石墨中層與層之間相距為0.335nm,由于距離比較大,碳原子的相互作用較弱,因此很容易沿着與層面平行的方向滑動、裂解,所以石墨很軟、有滑膩感。

金剛石與石墨性質上有什麼不同(金剛石和石墨有何不同)2

金剛石和石墨相比,結構更為緻密。金剛石的密度大約是石墨的1.5倍左右(金剛石的密度約為3.5-3.53g/cm³,石墨的密度約為2.09–2.23g/cm³)。

碳原子通過強烈的相互作用(化學鍵)緊密結合時,原子間的距離越小,相互作用越強。在石墨的一個片層中,碳原子間的距離比金剛石小,相互作用更強,更難被破壞,所以石墨的熔點更高。

如下表所示,金剛石和石墨的熔點不同,但沸點卻相同,這又是為什麼呢?物質的物态變化與微粒間的距離是有一定關系的。石墨和金剛石熔化以後,碳原子原來的排列方式被打破,原子間的距離相等,相互作用強度也相同,所以沸點相同。

金剛石與石墨性質上有什麼不同(金剛石和石墨有何不同)3

我們都知道,石墨具有導電性。這與石墨的結構也有密切關系。碳原子最外層有4個電子,在石墨的一個片層中,每個碳原子會與其周圍的3個碳原子通過“共用電子對”形成強烈的相互作用(化學鍵),每個碳原子隻有3個最外層電子參與這種“力”的形成,這樣就會剩下1個自由電子。因為有大量自由電子存在,所以石墨能導電。而金剛石中每個碳原子與其周圍的4個碳原子通過“共用電子對”形成強烈的相互作用,碳原子最外層的4個電子幾乎都參與了這種“力”的形成,基本沒有自由電子,所以基本不導電。

結構可以決定性質,金剛石和石墨都由碳原子構成,但是因為原子排列方式不同,導緻很多物理性質有很大差異。

審核人:李繼良

金剛石與石墨性質上有什麼不同(金剛石和石墨有何不同)4

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創,轉載時務請注明出處。

作者: 張旭忠 [責任編輯: 李浩]

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