Кратко: различие свойств алмаза и графита объясняется разной атомной упаковкой и типом химических связей — в алмазе углерод в гибридизации sp${}^3$ образует прочную трёхмерную сеть σ‑связей, в графите — sp${}^2$ с плоскими слоями σ‑связей и делокализованной π‑системой между ними. Последствия — жёсткость, проводимость и реакционная способность кардинально различаются.
Строение и гибридизация
- Алмаз: каждый атом C связан с четырьмя соседями в тетраэдрической сетке (гибридизация sp${}^3$), угол связи $109.5^{\circ }$. Типичная длина связи $1.54\text{A˚}$.
- Графит: атомы C лежат в плоских шестиугольных слоях (гибридизация sp${}^2$), угол $120^{\circ }$. Внутри слоя длина связи $1.42\text{A˚}$, слои связаны слабыми межслоевыми взаимодействиями на расстоянии $3.35\text{A˚}$.
Типы связей и электронная структура
- Алмаз: все четыре валентные электрона участвуют в локализованных σ‑связях, нет свободных электронов — широкая запрещённая зона (зона запрета) $E_g\approx 5.5\text{eV}$.
- Графит: в каждом атоме три электрона образуют σ‑связи в плоскости, четвёртый образует π‑орбиталь, делокализованную по всему слою — подвижные электроны дают проводимость внутри слоёв; межслойные связи слабые (ван‑дер‑Ваальса), электрическая проводимость сильно анизотропна (в плоскости — высокая, между слоями — низкая).
Последствия для свойств
- Прочность (твёрдость, модуль упругости):
- Алмаз: прочность и твёрдость максимальны из‑за трёхмерной сети прочных σ‑связей — трудно разрушить структуру в любом направлении.
- Графит: мягкий, легко расслоить по плоскостям из‑за слабых межслоевых сил; слои легко сдвигаются, поэтому графит — хороший смазочный материал.
- Электропроводность:
- Алмаз: диэлектрик (почти не проводит) из‑за отсутствия свободных электронов и большого $E_g$.
- Графит: проводник внутри слоёв благодаря делокализованным π‑электронам; в направлении перпендикулярно слоям проводимость мала.
- Химическая реакционная способность:
- Алмаз: химически инертен при обычных условиях — σ‑связи сильно локализованы; окисляется/разрушается только при высоких температурах или в агрессивных условиях.
- Графит: более реакционноспособен на краях слоёв и при дефектах; π‑электроны облегчают реакции электрофильного присоединения и окисления по краям и на поверхности.
Короткое резюме: те же атомы C, но разная гибридизация и топология связей — sp${}^3$ 3D‑сеть → твёрдый изолятор (алмаз); sp${}^2$ плоские слои + делокализованные π‑электроны → мягкий, анизотропный проводник (графит).