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我們在初中剛接觸化學就經常聽到,結構決定性質。石墨也一樣,它導電也是跟它結構有關。高中化學,我們簡單學習了分子晶體、原子晶體、離子晶體和金屬晶體。事實上,這幾類晶體都是人為定義的,這幾種晶體間沒有明顯界限,三種晶體存在相互關係,各自也含有對方成分。所以,也形成了一些過渡性鍵型。石墨就是典型的混合型晶型。我們先來看石墨結構
石墨具有層狀結構,黑色小球就是碳原子,同一層碳原子以共價鍵相連,層與層之間以分子間作用力連在一起,距離約為335pm。
我們知道,碳原子的價層電子數是4個。但是,上圖中,每個碳原子只成3個鍵。我們看同一層,同一層中的一個碳原子採用sp2雜化,三個sp2雜化軌道和鄰近的碳原子以共價鍵連在一起,sp2雜化軌道鍵角為120º。所以,圖中同層碳原子之間形成正六邊形。並且,sp2雜化軌道是平面。因此,圖中的每一層是平面。然而,每個碳原子採用sp2雜化軌道都剩下一個2p電子。透過sp2雜化軌道電子雲圖,我們可以知道,這個2p軌道都垂直於sp2雜化軌道平面,且相互平行,相互平行的p電子軌道形成π鍵,由於同一層含有許多個碳原子,含有許多2p電子軌道,因此,所有的2p軌道都參與形成π鍵,這種含有很多個原子的π鍵叫做大π鍵。
我們高中學習化學時接觸的更多是乙烯一類的π鍵,這類π鍵都侷限在兩個碳之間,也叫定域π鍵。但是,剛才說了,大π鍵並不是侷限於兩個原子之間,而是涉及很多原子,可以在多個原子間運動,也叫離域π鍵。所以,石墨碳原子間形成的大π鍵可以運動,就想金屬鍵的電子一樣。所以,它具有導電性和導熱性。由於層與層之間由分子間作用力連起來,導致它的作用力較弱,所以層與層之間可以滑動,表現為潤滑性。
總之,石墨由於既有共價鍵,大π鍵,又有分子間作用力,因此它屬於混合晶型。也導致它有導電性、導熱性和潤滑性等性質。
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首先我們看下石墨是什麼?
石墨是一種結晶形碳。六方晶系,為鐵墨色至深灰色。密度2.25克/釐米3,硬度1.5,溶點3652℃,沸點4827℃。質軟,有滑膩感,可導電。化學性質不活潑,耐腐蝕,與酸、鹼等不易反應。在空氣或氧氣中加強熱,可燃燒並生成二氧化碳。強氧化劑會將它氧化成有機酸。用作抗摩劑和潤滑材料,製作坩堝、電極、乾電池、鉛筆芯。高純度石墨可在核反應堆上作中子減速劑。常被稱為炭精或黑鉛,因為以前被誤認為是鉛。
那它為什麼為導電呢?
石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱係數隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。 石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷.
所以石墨能導電是再正常不過的事情了。