Коротко и по сути — различия свойств аллотропов углерода объясняются разной атомной связью (тип гибридизации и геометрия) и следствиями этой связи для электронных состояний, прочности и межмолекулярных взаимодействий.
Ключевые моменты:
- Гибридизация и геометрия:
- Алмаз: атомы $C$ в состоянии $s{p}^3$, каждая связь — четырёх\-/связная тетраэдрическая сеть (угол приблизительно $109.5^{\circ }$). Это непрерывная трёхмерная сеть сильных $\sigma$-связей → большая жёсткость и твёрдость.
- Графит: атомы $C$ в состоянии $s{p}^2$, плоские шестиугольные слои с углом $120^{\circ }$. Внутри слоя — сильные $\sigma$-связи, перпендикулярные p‑орбитали образуют делокализованные $\pi$-электронные облака; между слоями — слабые ван‑дер‑Ваальсовы силы → слои легко соскальзывают.
- Фуллерены (напр. $C_{60}$): оболочки из $s{p}^2$-плотно связанных атомов, но из‑за кривизны есть частичное смешение $s{p}^2$/$s{p}^3$ и внутренняя деформация → молекулярные кластеры с ограниченной делокализацией и высокой реакционной способностью на позициях с бόльшим изгибом.
- Последствия для свойств:
- Механические: алмаз очень твёрдый из‑за 3D сети; графит мягкий/смазывающий по причине слабых межплоскостных связей; фуллерены образуют хрупкие молекулярные кристаллы.
- Электронные и оптические: алмаз — широкий запрещённый промежуток (инсулятор), например $\sim 5.5\text{eV}$, потому прозрачен; графит — полуметалл/проводник в плоскости из‑за делокализованных $\pi$-электронов (плотность состояний у Ферми), поэтому тёмный и проводящий; фуллерены — молекулярные уровни (дискретные ОМО/НОМО), легко принимают электроны (электронные акцепторы), при допировании могут стать сверхпроводящими.
- Теплопроводность и плотность: алмаз обладает очень высокой теплопроводностью по σ‑связям; графит — высокая теплопроводность вдоль слоёв, низкая перпендикулярно; плотности различаются (алмаз $\approx 3.51{\text{г/см}}^3$, графит $\approx 2.26{\text{г/см}}^3$).
- Химическая реактивность: из‑за деформации и частичного $s{p}^3$-характера фуллерены более реакционноспособны, графит и алмаз относительно инертны (но поверхности/дефекты активнее).
- На уровне бондов: длины и типы связей отличаются: в алмазе $C-C$ ≈ $1.54\text{A˚}$ (одинарная/σ), в графите в плоскости ≈ $1.42\text{A˚}$ (частично двойная из‑за π‑делокализации) — это влияет на прочность и электронную проводимость.
Вывод: одни и те же атомы $C$ дают совершенно разные свойства потому, что меняются способы их связывания (гибридизация, размерность сети и наличие/отсутствие делокализованных π‑электронов), а от этого зависят механика, электропроводность, оптика и химическая реактивность.