都是纯碳，钻石和石墨差异咋就这么大呢？

欧洲足球赛事 注：一个是bling-bling闪闪发光的钻石，一个是漆黑的低到尘埃里的石墨，大家都是碳，正所谓本是同根生，差异咋就这么大呢？让瓦瑟学院的化学教授Miriam Rossi告诉你原因吧！

金刚石和石墨都是完全由碳组成的，新近发现的富勒烯（含60个碳原子足球状分子）也是如此。然而，三种材料中碳原子的空间排列是不同的，这也使它们成为碳的同素异形体。金刚石和石墨在性质上的巨大差异也是源于他们不同的晶体结构。

在钻石中，碳原子排列呈四面体形，每个碳原子以键角为109.5°的C-C键与距离其1.544×10^(-10)m的四个碳原子相连，以这种方式无限连接的原子形成了坚固的刚性三维结构，正是这一结构给予了金刚石高强度、高硬度及耐久性，也使得金刚石的密度大于石墨（3.514g/cm³）。因为具有这种四面体结构，金刚石也表现出很大的抗压缩性。晶体的硬度由莫氏硬度（Mohs scale，由Friederich Mohs提出）表征，这是根据划伤其他材料的能力来对材料硬度进行排列的方法。金刚石则是目前已知的最硬的天然材料（莫氏硬度为10），它可以划伤其他所有材料。同时，金刚石也是我们所知道的最好的导热材料，其导热能力是铜的五倍。金刚石也可以传声，但它不导电，是绝缘体，它的电阻、光透射率及化学惰性都十分显著。

此外，金刚石会分光，这意味着金刚石对于红光和紫光的折射率是不同的，分别为2.409和2.465。因此，雕琢后的金刚石可作为棱镜将白光分成彩虹的颜色，其分光的分辨率为0.056（折射率差值）。分散性越大，则得到的色谱越好。这一性质使金刚石“火”了起来。金刚石的“光彩”是由折射、内部反射以及光的分散组合形成的。例如，对于黄灯来说，钻石具有高达2.4的折射率和24.5°的较低临界角，这意味着当黄光进入金刚石且到达内部第二面的角度大于24.5°时，则它不能通过从晶体进入外部的空气中，而是会被反射回金刚石内部。

石墨中的碳原子也排列在一个无限空间点阵中，呈片层状，这些原子与其他原子的相互作用类型有两种。一，每个碳原子占据正六边形的一个顶点并且与周围的三个碳原子成键，键角为120°，这种平面点阵在二维平面上延伸形成水平的、六边形的“鸡笼状”的阵列；二，这些平面阵列之间以微弱的作用力连接，两层之间的间距（3.347×10^(-10)m）大于每层碳原子之间的距离（1.148×10^(-10)m）。石墨的物理性能正是源于这种三维结构。不同于金刚石，石墨可用于润滑剂或铅笔中，因为其层与层之间很容易发生滑动。石墨软而滑，并且其硬度低于莫氏硬度可表征的范围，密度（2.266g/cm³）低于金刚石。石墨这种片层结构使电子易运动，因此石墨可导电导热，也可以吸收光而呈现出不同于金刚石的黑色。

原文链接：How can graphite and diamond be so different if they are both composed of pure carbon?

本文由编辑部糯米提供素材，赵玲编译，刘宇龙审核。