Коротко — различия между аллотропами углерода объясняются разной гибридизацией атомных орбиталей, типом химических связей и пространственным расположением атомов (кристаллической структурой). Ниже — по каждому аллотропу с пояснениями, почему получаются конкретные свойства.
Алмаз
- Гибридизация: $s{p}^3$. Каждый углерод связывается с четырьмя соседями.
- Геометрия/структура: тетраэдрическая, кубическая алмазная решётка (координационное число $4$).
- Связи: прочные сигма‑связи $\sigma$ во всех трёх измерениях — непрерывная 3D-сеть.
- Структурные параметры: длина связи $\mathrm{C}-\mathrm{C}\approx 1.54\text{A˚}$.
- Следствия для свойств: высокая твёрдость и модуль упругости (из‑за 3D $\sigma$-сети), высокая теплопроводность, широкий запрещённый промежуток (диэлектрическая щель) $E_g\approx 5.5\mathrm{eV}$ → изолятор.
Графит
- Гибридизация: $s{p}^2$. Каждый углерод связан с тремя соседями в плоскости; остаётся одна ненасыщенная $p_z$-орбиталь.
- Геометрия/структура: плоские шестиугольные слои (графеновые слои), упаковка типов ABAB (в кристаллическом графите); межслоёвая связность слабая.
- Связи: в плоскости — прочные $\sigma$-связи; вне плоскости — слабые ван‑дер‑ваальсовы взаимодействия между слоями; $p_z$-орбитали перекрываются и образуют делокализованную $\pi$-сеть внутри слоя.
- Структурные параметры: внутрислойная длина связи $\mathrm{C}-\mathrm{C}\approx 1.42\text{A˚}$, межслойное расстояние $\approx 3.35\text{A˚}$.
- Следствия для свойств: лёгкое расслоение и смазочные свойства (слабые межслоёвые силы), хорошая электро- и теплопроводность вдоль слоёв (делокализованные $\pi$-электроны), графит — полуметалл/проводник в плоскости.
Графен
- Гибридизация и структура: монослой графита — идеальная двумерная решётка с $s{p}^2$-гибридизацией и делокализацией $\pi$-электронов по всей плоскости.
- Электронная структура: при приближении к точкам $K$/$K^{\prime }$ энергия электронов зависит линейно от волнового числа → эффективные носители ведут себя как «масса\-less» Дираковские фермионы; нулевой или очень малый запрещённый промежуток (точечные пересечения зон).
- Свойства: исключительная прочность и жёсткость (модуль Юнга порядка $1\mathrm{TPa}$), высокая подвижность носителей заряда и теплопроводность, прозрачность (один слой).
- Отличие от графита: отсутствие межслоёвых взаимодействий (монослой), уникальная линейная дисперсия электронных состояний.
Сводка (связь строения — свойств)
- Если связи в трёх измерениях крепкие ($s{p}^3$, алмаз) → жёсткий, твёрдый, диэлектрик.
- Если сильные связи только в плоскости ($s{p}^2$) и слабые между слоями (графит) → слоистая структура, проводимость вдоль слоёв, лёгкое расслаивание.
- Если та же плоская $s{p}^2$-сеть без соседних слоёв (графен) → двумерная квантовая система с необычной электронной структурой и экстремальными механическими/электронными свойствами.
(Ключевые числовые ориентиры: длины связей $\approx 1.54\text{A˚}$ для алмаза и $\approx 1.42\text{A˚}$ для графита/графена; межслойный зазор в графите $\approx 3.35\text{A˚}$; угол $s{p}^3$ — $109.5^{\circ }$, $s{p}^2$ — $120^{\circ }$.)