提起鉆石，你可能會(huì)想到光彩奪目、閃爍耀眼的精美飾品，以及它昂貴的價(jià)格；提起石墨，你可能會(huì)想到黑乎乎、滑膩膩的碳棒。純凈的金剛石是無(wú)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(xì)鱗片狀固體。石墨很軟，在紙上畫(huà)過(guò)可留下痕跡，有滑膩感。金剛石和石墨“形”或“性”有著天壤之別，但它們具有相同的“質(zhì)”，它們是一對(duì)“孿生”兄弟，都由碳元素組成，被稱(chēng)“同素異形體”。

金剛石可以用來(lái)切割玻璃、做鉆頭，因?yàn)樗挠捕群艽?；石墨可以用?lái)做鉛筆芯、潤(rùn)滑劑，這是因?yàn)樗苘?、有滑膩感。按照莫氏硬度?biāo)準(zhǔn)，金剛石為最高級(jí)。金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。金剛石和石墨同樣由碳原子構(gòu)成，金剛石為什么會(huì)如此的堅(jiān)硬，這取決于它的分子結(jié)構(gòu)。

下圖是金剛石的結(jié)構(gòu)模型。每個(gè)碳原子都與周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合?！熬o密結(jié)合”的兩個(gè)碳原子之間的距離約為0.155nm，從而形成致密的三維結(jié)構(gòu)，正是這種致密的結(jié)構(gòu)，使得金剛石成為天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。

而石墨是層狀的結(jié)構(gòu)，就一個(gè)片層而言，每1個(gè)碳原子會(huì)與其周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合，“緊密結(jié)合”的兩個(gè)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，因此很容易沿著與層面平行的方向滑動(dòng)、裂解，所以石墨很軟、有滑膩感。

金剛石和石墨相比，結(jié)構(gòu)更為致密。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(guò)強(qiáng)烈的相互作用（化學(xué)鍵）緊密結(jié)合時(shí)，原子間的距離越小，相互作用越強(qiáng)。在石墨的一個(gè)片層中，碳原子間的距離比金剛石小，相互作用更強(qiáng)，更難被破壞，所以石墨的熔點(diǎn)更高。

如下表所示，金剛石和石墨的熔點(diǎn)不同，但沸點(diǎn)卻相同，這又是為什么呢？物質(zhì)的物態(tài)變化與微粒間的距離是有一定關(guān)系的。石墨和金剛石熔化以后，碳原子原來(lái)的排列方式被打破，原子間的距離相等，相互作用強(qiáng)度也相同，所以沸點(diǎn)相同。

我們都知道，石墨具有導(dǎo)電性。這與石墨的結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系。碳原子最外層有4個(gè)電子，在石墨的一個(gè)片層中，每個(gè)碳原子會(huì)與其周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)“共用電子對(duì)”形成強(qiáng)烈的相互作用（化學(xué)鍵），每個(gè)碳原子只有3個(gè)最外層電子參與這種“力”的形成，這樣就會(huì)剩下1個(gè)自由電子。因?yàn)橛写罅孔杂呻娮哟嬖?，所以石墨能?dǎo)電。而金剛石中每個(gè)碳原子與其周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)“共用電子對(duì)”形成強(qiáng)烈的相互作用，碳原子最外層的4個(gè)電子幾乎都參與了這種“力”的形成，基本沒(méi)有自由電子，所以基本不導(dǎo)電。

結(jié)構(gòu)可以決定性質(zhì)，金剛石和石墨都由碳原子構(gòu)成，但是因?yàn)樵优帕蟹绞讲煌?，?dǎo)致很多物理性質(zhì)有很大差異。

審核人：李繼良

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作者： 張旭忠