石墨与金刚石

碳是一种很常见的元素，很早就被人认识和利用，一系列碳化合物——有机物更是生命之根本。在生物上是重要的分子，生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石和石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如石灰石和大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨其晶体结构是不同的。

金刚石的成分是碳，为什么金刚石有那么大的硬度呢？例如，制造铅笔芯的材料是石墨，成分也是碳，然而石墨却是一种比人的指甲还要软的矿物。金刚石和石墨的硬度为什么会有如此大的差距呢？

1913年，英国的物理学家威廉·亨利·布喇格（1862～1942）和他的儿子威廉·劳伦斯·布喇格（1890～1971）用X射线观察金刚石，研究金刚石内原子的排列。他们发现，金刚石晶体内部的每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构。这使金刚石的密度达到每立方厘米约3.5克，大约是石墨密度的1.5倍。正是这种特殊的结构，使得金刚石具有最大的硬度。

金刚石砂轮

金刚石锯片

钻石

石墨和金刚石都属碳的单质形态，二者的化学式都是C。虽然化学性质完全相同，但金刚石和石墨的元素相同，只属于同素异形体，所不同的是物理结构特征。

金刚石的熔点是3550摄氏度，石墨的熔点是3652～ 3697摄氏度（升华）。石墨熔点高于金刚石。石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状；金刚石原子间是立体的正四面体结构。从片层内部来看，石墨是原子晶体；从片层之间来看，石墨是分子晶体，而金刚石是原子晶体。石墨晶体的熔点反而高于金刚石，似乎不可思议。

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。石墨的英文名称是graphite，源于希腊文，写成拉丁文是graphein，意思是“用来写”（用于制作铅笔芯材），是由德国化学家和矿物学家沃纳于1789年命名的。

石墨质软，黑灰色，有油腻感，还是最耐温的矿物之一。石墨薄片具有滑感，易污手，具有良好的导电性和导热性。石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

作耐火材料的石墨可用来制造石墨坩埚，也常用石墨作冶金炉的内衬。在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈和电话零件，以及电视机显像管的涂层等。石墨在机械工业中常作为润滑剂。石墨还可用作中子减速剂用于原子反应堆中，铀—石墨反应堆是原子反应堆的一种堆型。世界上第一座反应堆就是铀—石墨堆型。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零件，以及隔热材料和防射线材料。石墨还可作颜料和抛光剂等。

石墨还是制造铅笔芯、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石不可缺少的原料。