关于石墨、金刚石熔点比较的思考-《化学教学》(2020年11期).docx

龙源版权所有 关于石墨、金刚石熔点比较的思考作者：苑凌云 岳文虹 杨吉来源：《化学教学》2020年第11期 摘要： 石墨和金刚石是最常见的两种碳单质，关于二者的熔点高低问题众说纷纭。通过结构和相图两方面探讨石墨和金刚石的熔点，结构表明由二者键长可初步推测熔点差异，但由于石墨和金刚石只能在一定条件下存在并互相转化，所以抛开温度、压强仅从晶体结构角度判断二者熔点高低是不严谨的;相图表明二者熔点无法在常压或任意压强下同时测得，所以二者熔点高低对比并无价值，以期为中学教学提供一些参考。 关键词： 石墨; 金刚石; 熔点比较; 晶体结构 文章编号： 1005-6629（2020）11-0090-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 1 从结构看石墨和金刚石的熔点问题 丰富多彩的物质是由大量微观粒子聚集而成的，结构决定性质，接下来我们通过分析石墨和金刚石的结构来探讨石墨和金刚石的熔点问题。 金刚石是共价晶体，每个碳原子以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不导电。金刚石中C—C键长为154pm，键角为109.5°，键能为347kJ·mol-1（如图1所示）。2019年鲁科版普通高中化学教科书指出：“要想熔化金刚石，需要破坏其中的共价键，这需要非常大的能量，因此金刚石是一种熔点很高的物质。” 石墨晶体是层状结构（如图2所示），碳原子为sp2杂化，层内每6个碳原子通过共价键形成1个六元环，每个碳原子被3个六元环所共用，形成无限的平面六边形网状结构。这些网状结构依靠范德华力形成片层结构。此外，每个碳原子还有1个未参与杂化的含1个单电子的p轨道，这些p轨道相互平行且垂直于六元环所在的平面，以肩并肩的形式形成离域大π键（πmm）。离域电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨的大π键有部分金属键的性质，且在与层平行的方向上有良好的导电性和导热性。此外，石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开，因此石墨质软且具有润滑性。综上，石墨晶体中不仅有共价键、范德华力，还有大π键的金属键特性，因此石墨属于混合晶体。在石墨晶体中，层内C—C键长为142pm，键角为120°，层间距离为335pm。 我们认为鲁科版教材之所以标明石墨和金刚石的熔点，是想引导学生通过其晶体结构来解释二者熔点的差异。熔化石墨和金刚石均需断裂C—C键，但由于石墨的C—C键长小于金刚石的C—C键长（石墨中由于大π键的存在，使得C—C间核间距更小，键长更短），因此破坏石墨的C—C键更难，需要提供的能量更多，所以石墨的熔点高于金刚石。另外，键长和键能有密切的对应关系，但是，通过查阅资料，我们发现几乎无法查到石墨的C—C键能数据，键能是指气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量，我们猜测可能由于石墨是混合晶体，除层内C—C键外，层间还存在作用力，因此在形成石墨的C—C键时，其对应能量还应包括层间作用力，故而无法测得只形成1mol C—C键时所释放的能量。 2 从相图看石墨和金刚石的熔点问题 系统中把宏观上化学组成、物理性质和化学性质完全均匀的部分，称为一个“相”[9]。相与相之间在指定的条件下有明显的界面，不同相之间可以相互转化，称为“相变”。物质的存在状态既取决于物质的性质，也与温度、压强有关，气、液、固三相间的相变与温度、压强的关系称为相图。本文通过碳的相图（如图3所示）再次探讨石墨和金刚石的熔点高低问题。物质的熔点是指在一定压力下，该物质的纯固态和纯液态呈平衡时的温度，此时若与外界无热交换，固、液两相会稳定存在，相对量保持不变。熔点会随着测定压强的变化而变化，变化趋势可从三相图的固液分界线上读取。 “碳的相图”包含五个区域、四种相。五个区域分别是： 固态石墨区、固态金刚石区、固态石墨和固态金刚石共存区、液态碳区和气态碳区;四种相分别是： 固态石墨、固态金刚石、液态碳和气态碳。由此可以得知，金刚石和石墨熔化以后实际得到了同一种物质——液态碳。另外，通过横、纵坐标的取值可以看出，研究碳体系相变要在高温高压的条件下进行，这给实验操作带来了巨大困难。因此，在碳的相圖中有些区域是以热力学原理外推的，甚至是假设的。 从图3中可以看到两个三相点： A点是石墨-液态碳-气态碳的三相点，由此可以得出，石墨在10.8±0.2MPa的压强下，熔点是4···试读结束