Кратко и по сути.
Почему разные структуры
- У углерода валентность $4$ и близкие по энергии орбитали $2s$ и $2p$, что даёт возможность гибридизации: сп${}^3$, сп${}^2$ (и сп). При сп${}^3$-гибридизации образуются четыре эквивалентных σ‑связи, при сп${}^2$ — три σ‑связи в плоскости и одна нечётная $p_z$‑орбиталь на атом, образующая π‑систему. Поэтому возможны две принципиально разные сети: трёхмерная тетраэдрическая (алмаз) и плоские слои с π‑связями (графит).
Кристаллическая структура и размеры (типично)
- Алмаз: каждый C связан с четырьмя соседями в тетраэдре (угол $109.5^{\circ }$), длина C–C ≈ $1.54\text{A˚}$.
- Графит: плоские шестиугольные слои (угол $120^{\circ }$), внутрислойная длина C–C ≈ $1.42\text{A˚}$, расстояние между слоями ≈ $3.35\text{A˚}$.
Электронные и межатомные взаимодействия
- Алмаз:
- Все валентные электроны участвуют в локальных σ‑связях (сп${}^3$). Это даёт полностью заполнённую валентную зону и большой запрещённый промежуток: ширина зоны отчуждения ≈ $5.5\text{eV}$.
- Сильные направленные ковалентные связи по всей трёхмерной сети обеспечивают высокую прочность и жёсткость.
- Графит:
- Три σ‑связи (сп${}^2$) формируют прочную плоскость; оставшийся электрон в $p_z$ образует систему делокализованных π‑орбиталей, приводящую к образованию π и π* зон, которые пересекают уровень Ферми — электрическая проводимость в плоскости.
- Связь между плоскостями слаба (ван‑дер‑Ваальс/слабые межслоевые взаимодействия), что даёт лёгкое расслоение и смазочные свойства.
Как это даёт разные свойства
- Механические:
- Алмаз — чрезвычайно твёрдый (один из самых твёрдых материалов) и очень высокая модуль упругости из‑за прочной 3D σ‑сети.
- Графит — мягкий, слоистый, лёгко шлифуется/расщепляется по слоям из‑за слабых межслоевых взаимодействий; большая анизотропия свойств.
- Электрические и оптические:
- Алмаз — диэлектрик с широкой запрещённой зоной, прозрачен в видимом диапазоне (при отсутствии примесей); при легировании возможны полупроводниковые свойства.
- Графит — хороших проводник в плоскости, непрозрачен; однослойный графен имеет специфическую линейную спектроскопию (Dirac‑конусы) и высокую подвижность носителей.
- Теплоперенос:
- Алмаз — очень высокая теплопроводность (по сети) из‑за лёгкости атомов и сильных ковалентных связей.
- Графит — высокая теплопроводность вдоль слоёв, низкая поперёк.
Влияние на применения
- Алмаз: инструменты для резки и шлифовки, абразивы, оптические окна и линзы, высокотеплопроводящие подложки/радиаторы, потенциальные электронные устройства на широкозонных полупроводниках (при легировании).
- Графит: электрооды, аноды в батареях, смазочные покрытия, материалы для высокотемпературной защиты, исходный материал для графена — электронные и сенсорные приложения, композиты с электрической проводимостью.
Фазовая устойчивость
- При нормальных условиях графит термодинамически устойчивее; алмаз метастабилен при обычных $P,T$ из‑за большого кинетического барьера на перестройку связей. Стабильность алмаза требует высоких давлений и температур (переход графит↔алмаз проходит при давлениях порядка $1-2\text{GPa}$ и высоких температурах).
Итог: разная гибридизация и связанные с ней типы связей (локальные 3D σ в алмазе против плоских σ + делокализованные π в графите), а также разная сила межслоевых взаимодействий, определяют противоположные механические и электронные свойства и, соответственно, разные области применения.