石墨和金剛石的區別

金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界最硬的礦石。在所有物質中，它的硬度最大。測定物質硬度的刻畫法規定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質的硬度。例如Cr的硬度為9、Fe為4.5、Pb為1.5、鈉為0.4等。在所有單質中，它的熔點最高，達3823K。



　　金剛石晶體屬立方晶系，是典型的原子晶體，每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結構。



　　由于金剛石晶體中C—C鍵很強，所有價電子都參與了共價鍵的形成，晶體中沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點高，而且不導電。



　　室溫下，金剛石對所有的化學試劑都顯惰性，但在空氣中加熱到1100K左右時能燃燒成CO2。



　　金剛石俗稱鉆石，除用作裝飾品外，主要用于制造鉆探用的鉆頭和磨削工具，是重要的現代工業原料，價格十分昂貴。



　　石墨



　　石墨烏黑柔軟，是世界上最軟的礦石。石墨的密度比金剛石小，熔點比金剛石僅低50K，為3773K。



　　在石墨晶體中，碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成共價單鍵，構成六角平面的網狀結構，這些網狀結構又連成片層結構。層中每個碳原子均剩余一個未參加sp2雜化的p軌道，其中有一個未成對的p電子，同一層中這種碳原子中的m電子形成一個m中心m電子的大∏鍵(鍵)。這些離域電子可以在整個兒碳原子平面層中活動，所以石墨具有層向的良好導電導熱性質。



　　石墨的層與層之間是以分子間力結合起來的，因此石墨容易沿著與層平行的方向滑動、裂開。石墨質軟具有潤滑性。



　　由于石墨層中有自由的電子存在，石墨的化學性質比金剛石稍顯活潑。



　　由于石墨能導電，有具有化學惰性，耐高溫，易于成型和機械加工，所以石墨被大量用來制作電極、高溫熱電偶、坩堝、電刷、潤滑劑和鉛筆芯。



　　碳六十



　　20世紀80年代中期，人們發現了碳元素的第三種同素異形體——C60。



　　碳六十的發現和結構特點



　　1996年10月7日，瑞典皇家科學院決定把1996年諾貝爾化學獎授予RobertFCurl，Jr(美國)、HaroldWKroto(英國)和RichardESmalley(美國)，以表彰他們發現C60。



　　1995年9月初，在美國得克薩斯州Rice大學的Smalley實驗室里，Kroto等為了模擬N型紅巨星附近大氣中的碳原子簇的形成過程，進行了石墨的激光氣化實驗。他們從所得的質譜圖中發現存在一系列由偶數個碳原子所形成的分子，其中有一個比其它峰強度大20~25倍的峰，此峰的質量數對應于由60個碳原子所形成的分子。



　　C60分子是以什么樣的結構而能穩定呢？層狀的石墨和四面體結構的金剛石是碳的兩種穩定存在形式，當60個碳原子以它們中的任何一種形式排列時，都會存在許多懸鍵，就會非常活潑，就不會顯示出如此穩定的質譜信號。這就說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結構。由于受到建筑學家BuckminsterFuller用五邊形和六邊形構成的拱形圓頂建筑的啟發，Kroto等認為C60是由60個碳原子組成的球形32面體，即由12個五邊形和20個六邊形組成，只有這樣C60分子才不存在懸鍵。



　　在C60分子中，每個碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子相連，剩余的未參加雜化的一個p軌道在C60球殼的外圍和內腔形成球面大∏鍵，從而具有芳香性。為了紀念Fuller，他們提出用Buckminsterfullerene來命名C60，后來又將包括C60在內的所有含偶數個碳所形成的分子通稱為Fuller，中譯名為富勒烯。