碳元素組成的不同單質性質差異很大,關鍵在於其原子排列不同

「鑽石恆久遠，一顆永流傳」

「鑽石恆久遠，一顆永流傳」。這句金典廣告詞主要包含兩個方面的意思；其一，說明鑽石的價值高；其二，說明金剛石的性質很穩定，在通常狀況下不會發生變化，能夠保存很久，因此「鑽石也就成為了愛情的象徵」，很多情侶都渴望自己的愛情能夠像鑽石一樣「永恆」。如果從其組成來分析，金剛石與隨處可見的木炭的組成元素是一樣的，都是由碳元素組成的。為什麼由相同元素組成的物質，其性質卻有天壤之別呢？

為什麼金剛石和石墨物理性質相差那麼大

要清楚解答這一問題，必須從本文的以下幾個方面去理解。這也是「碳和碳的氧化物」一章節的重點知識，也是每年化學中考的考點。

1、首先要明白一個概念，就是「同素異形體」

大千世界，紛亂複雜，形形色色，每時每刻都在發生著無數的變化；在這些變化中有的物質消失，也有新的物質產生。據科學研究發現，世界上大概有300多萬種物質，然而組成如此龐大物質體系的「基本單元」卻只有一百零幾種。這個「基本單元」就是元素，物質都是由不同的元素組成的。這一百零幾種元素經過不同的排列和不同的組合的方式，組成了如此龐大的物質體系。即使同一種元素，也能夠組成不同的物質；比如氧氣和臭氧，這兩種不同的物質，雖然它們的性質絕然不同，但是它們的組成元素是相同的，都是由氧元素組成。再比如紅磷和白磷，它們的性質有很大的差異，屬於兩種不同的物質，但是其組成的元素是相同的，都是由磷元素組成。像這些物質，在化學上稱為「同素異形體」，什麼是同素異形體呢？就是指由同種元素組成的不同單質。隨著科技的進步，人類已經成功合成了很多新的物質，比如「C60」和新型的碳單質「C540」，都是碳元素的不同單質，它們與石墨和金剛石互為同素異形體。

碳元素組成的不同單質

新型碳元素的單質

由碳元素組成的不同單質有很多種，比如金剛石和石墨就是兩種最常見的碳的同素異形體。雖然它們有著天壤之別的「外表」，但是卻有相同的「內心」；它們都是由碳元素組成的不同單質。也就是說同素異形體雖然都含有相同的元素，但是它們分別屬於不同的物質種類。

2、碳單質性質不同的原因在於它們構成的原子排列不同

物質的性質主要取決於物質的結構，物質的結構主要是指構成物質的原子的排列方式。比如金剛石和石墨都是由碳元素組成的單質，即都是由碳原子構成的物質。它們性質的不同，肯定與組成的元素無關，因為都是由同一種元素組成；所以造成性質不同的原因只能是碳原子的排列方式不同。如下圖所示，金剛石的性質與其結構密切相關，金剛石主要是由碳原子通過共價鍵連結而成，是一種立體結構；所以它的硬度特別大、熔點特別高。然而，石墨雖然也是由碳原子構成，它是一個層狀結構，每個層內的碳原子之間是以共價鍵連接而成，但是層與層之間卻是以華德華力連結而成，其鍵能比共價鍵的鍵能要小很多；所以它的層與層之間容易「脫落」分層。

金剛石和石墨的原子結構示意圖

所以說「物質的結構決定物質的性質」，即使由同種元素組成的物質，如果其內部原子的排列方式不同，那麼它們的性質也就不同。

3、碳元素不同單質性質差異主要體現在物理性質方面

從物質的宏觀組成來看，同一種元素可以組成很多種物質。這些由同一種元素組成的物質，因為構成物質的原子的排列方式和連接方式不同，從而造成它們的性質有很多差異，尤其是物理性質方面。因為它們是由相同的元素組成，在化學性質方面則會出現相同的情況。下面就以金剛石和石墨為例來分析一下碳元素的不同單質物理性質的差異。

①外表方面：金剛石是一種正八面體、對光有反射，能夠形成奪目的光彩、硬度大，是自然界最硬的物質。石墨是一種黑色或深灰色、細鱗片狀、有潤滑感、能夠導電，是自然界最軟的礦物質之一。

②耐熱性能：金剛石和石墨都具有很強的耐高溫性能，可以做高溫環境下的材料使用，比如耐火磚、坩堝等。

③導電性能：石墨具有金屬光澤，能夠導電，經常用作導電材料；金剛石不具有導電性能。下面圖表是金剛石和石墨的結構和物理性質差異，以及用途。

金剛石與石墨的物理性質的區別

4、同素異形體的化學性質主要取決於其組成的元素原子的結構。

在中考的化學試題中，會有這樣的題目「請問可以通過什麼方法證明金剛石和石墨都是由碳元素組成的單質？」可以將它們分別放在密閉的容器中和純淨的氧氣反應，將產生的氣體依次通過無水硫酸銅和澄清的石灰水。如果無水硫酸銅不變色，只有澄清的石灰水變渾濁，則可以證明它們的組成元素中只有碳元素。

碳元素組成的不同單質，雖然物理性質各不相同，但是其化學性質相同，其在常溫下比較穩定，不會輕易與其它物質反應。比如古代用炭書寫的字能夠保存上千年，而不褪色，就是炭單質化學性質穩定的最好解釋；但是在高溫情況下，其性質就變得比較活潑，主要表現出可燃性和還原性。

①可燃性：金剛石和石墨以及所有的碳元素組成的單質，即碳元素的同素異形體都能夠與氧氣反應，具有可燃性。

碳在空氣中燃燒的反應方程式

②還原性：在高溫下，金剛石和石墨等碳的不同單質都具有還原性，能夠從其它物質的分子裡得到氧，而被氧化成二氧化碳。這一性能在冶金工業中具有重要的用途。

碳還原四氧化三鐵

所以說，雖然都由碳元素組成的不同單質，它們的外表差異很大，物理性質個不同相同，出現很大的跨越式的變化；造成它們性質如此差異的原因，是它們物質內部原子的排列方式不同的原因，即碳原子的排列方式不同。但是同素異形體的化學性質是相同的，因為組成的元素原子的結構相同。