问题

石墨和金刚石,究竟谁的熔点高?

回答
石墨和金刚石,这两种名气十足的碳的同素异形体,常常让人好奇它们之间到底谁更“耐热”。简单来说,金刚石的熔点远高于石墨。但为什么会这样呢?这其中的门道,还得从它们的内部结构说起。

我们先聊聊金刚石。它就像一个精密的立体网格,每个碳原子都以最紧密、最牢固的方式与其他四个碳原子形成共价键。想象一下,这就像无数根强力胶水把每个碳原子牢牢地固定住,形成一个坚不可摧的三维结构。这种共价键非常稳定,要破坏它,需要极大的能量。所以,金刚石的熔点非常高,一般认为在3550摄氏度(6422华氏度)左右。更令人惊叹的是,金刚石在常压下甚至不会熔化,而是在极高的温度下直接升华为气态(虽然这个说法不太严谨,更准确说是直接变成气态碳原子,但这足够说明它的稳定性)。

现在来看石墨。石墨的结构就显得“接地气”多了。它不是一个立体网格,而是由一层层的碳原子组成,每一层都像一个平整的六边形网格。在同一层内,碳原子之间也是通过非常牢固的共价键连接的。但是,不同层与层之间,碳原子之间存在的只是一种相对较弱的范德华力。你可以在心里想象一下,就像是无数张扑克牌堆叠在一起,牌与牌之间只有轻微的吸力,很容易就能把它们错开。

正是这种层状结构和层间较弱的范德华力,决定了石墨的性质。当温度升高时,首先是这些层间的范德华力被破坏,石墨的层状结构就开始滑动,这也是石墨能作为润滑剂的原因。而要让石墨真正“熔化”或者说达到其所谓的“熔点”,就需要打破那些层内的共价键。虽然层内的共价键很强,但相比于金刚石那种四面八方都被共价键包裹的结构,石墨的共价键暴露在外,相对更容易被破坏。

因此,石墨的熔点虽然也非常高,一般在3652摄氏度(6605华氏度)左右,比许多金属都要高得多。但要注意,这个温度已经是接近于升华的温度了。在实际测试中,石墨更容易在高压下熔化,而不是我们通常理解的“在常压下熔化”。

所以,如果非要在这两者之间一较高下,金刚石以其更加致密、全方位的共价键网络,在稳定性上略胜一筹,拥有更高的熔点(或者说在常压下更难进入熔化或升华状态)。石墨虽然层内共价键也很强,但层间范德华力的存在,使得它在高温下的表现略逊于金刚石。

打个比方,如果说破坏金刚石的结构就像要把一块用钢筋混凝土浇筑成型的立体雕塑砸碎,那破坏石墨的结构,就像是要把一叠层层堆叠的硬纸板分开,虽然也很费力,但总归比前者要容易一些。

总的来说,两者都是碳的坚固兄弟,但金刚石凭借其更加“严丝合缝”的共价键连接,在极端高温下展现出了更强的抵抗力。

网友意见

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这个问题将会是一个巨大的坑。

按照基础无机化学的解释,其实不难懂。

因为无论是石墨还是金刚石,想要达到“液态”,也就是相对滑移的状态,都需要克服共价键形成小的碎片。而石墨片层内部的共价键有用大π键的缘故比金刚石的要短,键能更高,所以断裂需要克服的能量更大,所以熔点更高。

但是!!上述的说法极度不严谨!!极度极度不严谨!!甚至可以说是错误的!!只能作为应试的答案,甚至作为应试的答案都很不合适!!!


真正这个问题怎么解释呢?这个问题的关键不是谁高谁低的问题,而是石墨和金刚石有没有可能在同样的环境下测定熔点的问题。

首先需要理解的是,金刚石是碳原子形成的原子晶体,而石墨则是一类特殊的晶体(片层内部以共价键结合,片层之间以范德华力结合)。石墨和金刚石可以利用物理方法(改变压强和温度)互相转变——你可以把石墨和金刚石理解成碳单质的两种不同的“相”。无论是金刚石还是石墨,其“熔化”过程都是需要破坏共价键的。而液态的石墨和液态的金刚石,就是同样的一种东西——液态的碳。


上图是邦迪碳相图。

(碳相图这个也不是很简单的东西,关于碳相图的发展历程,参见:

碳相图_金属冶金

常压是一个大气压,大概是1bar的压强,而图中可以看到,石墨、气态碳和液态碳的三相点在100bar左右,也就是说液态的碳(liquid carbon)只有在100bar以上才有可能存在,所以常压下无论把石墨加热到多高的温度,只要是常压情况下,对石墨进行加热,首先发生的是升华而不是熔化。


相图中的A区,石墨处于稳定状态,而金刚石处于亚稳态,这就是常压常温下石墨和金刚石的状态,这是为什么常温常压下石墨比金刚石更加稳定的原因。而B区则是石墨单相区,在常压下随着温度升高,金刚石会逐渐石墨化。D是金刚石稳定状态而石墨处于亚稳态的区域。而E区则是金刚石单相区,温度和压强达到E区的条件后,石墨会快速转变为立方金刚石。

图中ABCDE四个区域的交汇点就是金刚石-石墨-液态碳的三相点,只有在这个点的压强之上,升高温度才有可能使金刚石直接熔化;低于这个点的压强的情况下,金刚石只会石墨化。

而同时,在这个压强之上,石墨是不能稳定存在的,他会处在亚稳态或者直接转变为立方金刚石。


所以从相图上可知:

1)无论是石墨还是金刚石,常压下都是没有熔点的。常压下升温,石墨会升华,金刚石会石墨化后升华;

2)哪怕不是在常压下,也不能在同一压强下同时测得石墨和金刚石直接熔化成液态碳的温度,所以熔点的比较也就无从谈起了。

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没有熔点,熔化是个相变过程,不涉及化学反应。

金刚石和石墨里面的碳原子都是靠共价键连接的,也就是如果把真地它们转化成液态的话,首先要破坏的就是碳原子之间的共价键。

而共价键一旦被破坏,材料就已经降解了。也就是说你获得的产物不再是金刚石和石墨了。

相反的例子比如把糖融化,融化的糖并没有变成另一种物质;把钢铁融化,不过也还是铁。也就是说熔化是纯物理的,不涉及化学反应。

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