--“碳的同素異晶體”淺談（一）

Wisewind

你可曾想過，或者你是否相信：你擁有的那顆堅硬無比，熠熠生輝的鑽石，有朝一日會自動地轉變為一粒軟軟的，灰黑色的，像鉛筆筆芯那樣的“鉛”嗎？

你一定以為這是“天方夜譚”！

但是，很不幸地，這個轉變是必然會發生的！

碳的存在形式

碳是構成地球上生命體的基本元素之一。碳以許多不同的形式存在--包括單質或化合物。煤，石油及動植物，包括我們人類的身體都是碳的化合物的例子。

碳原子可以以不同的方式排列從而形成不同的單質，這些單質稱為碳的“同素異晶體”。金剛石和石墨是碳在自然界存在的最著名的兩種“同素異晶體”。

石墨

石墨是最軟的礦物之一。十五世紀時，石墨礦被發現，當時的人並不知道石墨的成分，就稱石墨為“黑鉛(black lead)”（圖1）。

    圖1  天然石墨礦塊（通常含各種雜質）。

十五世紀末，英國有人將石墨粉與黏土混合，再灌入兩片半圓型的木管中製成“鉛筆”，並沿用至今。 

直到1779年，科學家才知道石墨原來是碳元素形成的的一種單質。

石墨是片層狀結構，片層內碳原子排列成六方晶格。每個碳原子以三個共價鍵與其它碳原子結合（圖2），因而每個碳原子的四個外層電子中都有一個電子剩餘，成為自由電子，可以在同層中活動。片層之間以較弱的分子作用力相結合，可以相對滑動。因此石墨導電性良好而硬度很低。

    圖2  石墨中的片層，以及每個片層中碳原子的六方點陣結構。

石墨廣泛應用於電極，坩堝，電刷，潤滑劑，鉛筆，石油化工、化肥、原子能、電子等領域。

金剛石

金剛石是人類迄今所知的硬度最高的物質。原生金剛石是距今約10億-30億年前，在地下130—300公裏深處，在攝氏900—1400度高溫，以及4萬5千--6萬個大氣壓下結晶而成的（圖3）。絕大多數金剛石是無色透明的晶體，有些因含有微量雜質或晶格缺陷而呈藍，黃，棕，綠，紫，粉紅或橙色。

    圖3  天然金剛石塊。

金剛石經過切割琢磨而成鑽石。鑽石以它通明剔透，清冷高貴的光輝形象，傲視所有其他珠寶而成為飾品至尊和女士們的最愛（圖4）！

    圖4  通明剔透，晶瑩閃光的鑽石。

人類發現和認識金剛石的曆史超過3000年，但是，直到18世紀末，人們才發現身價高貴的金剛石，竟然和石墨一樣，屬於碳的同素異晶體。

金剛石屬於麵心立方晶格。每個碳原子位於一個正四麵體的中心，周圍四個碳原子位於四個頂點上（圖5）。每個碳原子以四條共價鍵與它周圍的四個碳原子緊密結合，這是一種特別緊湊的原子排列方式。由於每個碳原子的四個外層電子都被共價鍵束縛住，使得晶體中沒有自由電子。所以，金剛石是自然界中最堅硬的固體，並且不導電。

    圖5  金剛石中碳原子的點陣結構。

金剛石中碳原子之間的距離比石墨中的小。這是因為形成金剛石時特別高的溫度和特別高的壓力使碳原子排列得比石墨中更為緊湊。

自從發現金剛石和石墨都是碳的同素異晶體以後，製備人造金剛石就成為了許多科學家的光榮與夢想。 

20世紀中葉以來，人們嚐試模擬自然過程，成功地使石墨在攝氏2000度高溫和5萬5千個大氣壓的特殊條件下轉變成金剛石。

目前世界上已有十幾個國家包括中國成功製造出金剛石，產量已遠遠超過天然金剛石的產量。但這種人造金剛石顆粒很細，主要作工業用途。

金剛石不僅可以加工成價值連城的珠寶，在工業中也大有可為。廣泛用於切割、磨削、鑽探領域及電子工業。

石墨是碳在自然界中最穩定的一種單質。當高溫高壓使石墨轉變為金剛石時，會伴隨著體積的縮小。這也意味著，與石墨相比，金剛石屬於“自由能較高的狀態”，是“碳的亞穩定態單質”。

根據熱力學定律，“係統會自發地由自由能較高的狀態向自由能較低的狀態轉變”，因此，在自然條件下，金剛石會自發地慢慢轉化為石墨！

想象一下你擁有的那顆熠熠生輝，價值不菲的鑽石將轉化為一粒軟軟的，灰黑色的，幾乎分文不值的石墨！這是多麽令人心痛和掃興的事情啊！

所幸的是，這個“金剛石轉化為石墨”的過程在自然條件下是如此緩慢，也許需要數萬年，甚至數百萬年才能完成。

所以擁有鑽石的女士可以不用擔心：你基本上不太可能看到你的晶瑩閃光的鑽石自動變化為一粒灰黑色石墨的那一天！

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