--“碳的同素异晶体”浅谈（一）

Wisewind

你可曾想过，或者你是否相信：你拥有的那颗坚硬无比，熠熠生辉的钻石，有朝一日会自动地转变为一粒软软的，灰黑色的，像铅笔笔芯那样的“铅”吗？

你一定以为这是“天方夜谭”！

但是，很不幸地，这个转变是必然会发生的！

碳的存在形式

碳是构成地球上生命体的基本元素之一。碳以许多不同的形式存在--包括单质或化合物。煤，石油及动植物，包括我们人类的身体都是碳的化合物的例子。

碳原子可以以不同的方式排列从而形成不同的单质，这些单质称为碳的“同素异晶体”。金刚石和石墨是碳在自然界存在的最著名的两种“同素异晶体”。

石墨

石墨是最软的矿物之一。十五世纪时，石墨矿被发现，当时的人并不知道石墨的成分，就称石墨为“黑铅(black lead)”（图1）。

    图1  天然石墨矿块（通常含各种杂质）。

十五世纪末，英国有人将石墨粉与黏土混合，再灌入两片半圆型的木管中制成“铅笔”，并沿用至今。 

直到1779年，科学家才知道石墨原来是碳元素形成的的一种单质。

石墨是片层状结构，片层内碳原子排列成六方晶格。每个碳原子以三个共价键与其它碳原子结合（图2），因而每个碳原子的四个外层电子中都有一个电子剩余，成为自由电子，可以在同层中活动。片层之间以较弱的分子作用力相结合，可以相对滑动。因此石墨导电性良好而硬度很低。

    图2  石墨中的片层，以及每个片层中碳原子的六方点阵结构。

石墨广泛应用于电极，坩埚，电刷，润滑剂，铅笔，石油化工、化肥、原子能、电子等领域。

金刚石

金刚石是人类迄今所知的硬度最高的物质。原生金刚石是距今约10亿-30亿年前，在地下130—300公里深处，在摄氏900—1400度高温，以及4万5千--6万个大气压下结晶而成的（图3）。绝大多数金刚石是无色透明的晶体，有些因含有微量杂质或晶格缺陷而呈蓝，黄，棕，绿，紫，粉红或橙色。

    图3  天然金刚石块。

金刚石经过切割琢磨而成钻石。钻石以它通明剔透，清冷高贵的光辉形象，傲视所有其他珠宝而成为饰品至尊和女士们的最爱（图4）！

    图4  通明剔透，晶莹闪光的钻石。

人类发现和认识金刚石的历史超过3000年，但是，直到18世纪末，人们才发现身价高贵的金刚石，竟然和石墨一样，属于碳的同素异晶体。

金刚石属于面心立方晶格。每个碳原子位于一个正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上（图5）。每个碳原子以四条共价键与它周围的四个碳原子紧密结合，这是一种特别紧凑的原子排列方式。由于每个碳原子的四个外层电子都被共价键束缚住，使得晶体中没有自由电子。所以，金刚石是自然界中最坚硬的固体，并且不导电。

    图5  金刚石中碳原子的点阵结构。

金刚石中碳原子之间的距离比石墨中的小。这是因为形成金刚石时特别高的温度和特别高的压力使碳原子排列得比石墨中更为紧凑。

自从发现金刚石和石墨都是碳的同素异晶体以后，制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。 

20世纪中叶以来，人们尝试模拟自然过程，成功地使石墨在摄氏2000度高温和5万5千个大气压的特殊条件下转变成金刚石。

目前世界上已有十几个国家包括中国成功制造出金刚石，产量已远远超过天然金刚石的产量。但这种人造金刚石颗粒很细，主要作工业用途。

金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝，在工业中也大有可为。广泛用于切割、磨削、钻探领域及电子工业。

石墨是碳在自然界中最稳定的一种单质。当高温高压使石墨转变为金刚石时，会伴随着体积的缩小。这也意味着，与石墨相比，金刚石属于“自由能较高的状态”，是“碳的亚稳定态单质”。

根据热力学定律，“系统会自发地由自由能较高的状态向自由能较低的状态转变”，因此，在自然条件下，金刚石会自发地慢慢转化为石墨！

想象一下你拥有的那颗熠熠生辉，价值不菲的钻石将转化为一粒软软的，灰黑色的，几乎分文不值的石墨！这是多么令人心痛和扫兴的事情啊！

所幸的是，这个“金刚石转化为石墨”的过程在自然条件下是如此缓慢，也许需要数万年，甚至数百万年才能完成。

所以拥有钻石的女士可以不用担心：你基本上不太可能看到你的晶莹闪光的钻石自动变化为一粒灰黑色石墨的那一天！

---End