Коротко: разные физические свойства следуют из разной ковалентной геометрии (гибридизации) и соответствующей электронной структуры — локализованные σ‑сети в трёхмерной решётке дают изоляцию и жёсткость; плоские sp²‑сети с π‑электронами дают высокую подвижность носителей и анизотропию.
Детали.
1) Алмаз
- Гибридизация: ${\mathrm{sp}}^3$. Четыре σ‑связи на атом: тетраэдр, угол $\approx 109.5^{\circ }$.
- Геометрия и параметры: длина связи $\approx 1.54\mathring{\mathrm{A}}$.
- Электронная структура: все валентные электроны заняты локализованными σ‑связями → широкий запрещённый промежуток $E_g\approx 5.5\mathrm{eV}$. Носителей в валентной или зоне проводимости мало.
- Следствия: электрическая изоляция; очень высокая твёрдость и модуль упругости (жёсткая 3D сеть σ‑связей); высокая теплопроводность за счёт сильных жёстких связей и эффективной передачи фононов.
2) Графит
- Гибридизация: ${\mathrm{sp}}^2$. Три σ‑связи в плоскости (угол $\approx 120^{\circ }$), оставшийся атомный орбиталь $p_z$ формирует π‑сеть.
- Геометрия и параметры: внутрислойная длина связи $\approx 1.42\mathring{\mathrm{A}}$, межслойное расстояние $\approx 3.35\mathring{\mathrm{A}}$ (слабые межслойные взаимодействия — ван‑дер‑Ваальс).
- Электронная структура: в плоскости π‑электроны делокализованы → частичная проводимость в плоскостях; в идеальном графите — полуметалл/слабый перекрыв полос, малая концентрация носителей.
- Следствия: хорошая проводимость и теплопроводность вдоль плоскостей, слабая прочность и лёгкое шелушение между слоями (смазывающие свойства), анизотропные свойства (металлическое поведение в плоскостях, изоляция по нормали).
3) Графен (монослой графита)
- Структура: однослойная решётка из ${\mathrm{sp}}^2$-углерода; сильные σ‑сети в плоскости и делокализованные π‑состояния.
- Электронная структура: уровни пересекаются в точках Дирака, низкоэнергетическая дисперсия линейная: $$E(\mathbf{k})=\pm \hslash v_F|\mathbf{k}|,$$ где $v_F\approx 10^{6}m/s$.
- Особенности: плотность состояний у Ферми равна нулю ($D(E)\propto |E|$ около нуля), высокая подвижность электронов, очень высокая прочность и модуль (Young’s modulus $\sim 1\mathrm{TPa}$), отличная теплопроводность.
- Следствия: поведение как полуметал/нейтральный полупроводник с крайне высокой подвижностью носителей и уникальной кинематикой (дисперсия типа Дирака).
Ключевая связь «структура → свойства»
- Гибридизация определяет тип связей (локализованные σ vs делокализованные π). Локализация электрона даёт большой $E_g$ и изоляцию (алмаз); делокализация π‑электронов даёт проводимость (графит, графен).
- Размерность сети (3D в алмазе, 2D в графене/плоские слои в графите) определяет механические и тепловые свойства и анизотропию.
- Электронная структура (широкая ЩП, перекрытие полос или точки Дирака) напрямую определяет электропроводность и поведение зарядовых носителей.
Вывод: различия свойств аллотропов углерода полностью объясняются разной гибридизацией и топологией ковалентной сети, что задаёт характер электронных состояний (локализованные σ против делокализованных π и линейной дисперсии) и приводит к соответствующим механическим, тепловым и электрическим свойствам.