合成钻石碳的同质异像变体

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　　合成钻石，实质上就是人为地建立一定条件，使非钻石结构碳转变成钻石结构碳。在这种相变过程中，压力、温度及其他有关因素等是变化的条件，碳原子及其集团的运动和相互作用等是变化的根据。压力、温度及其他有关因素等外因是通过碳原子及其集团的运动和相互作用等内因而起作用的。碳的同质异像变体碳是人类最早发现和利用的元素，碳有着种类繁多和数量庞大的化合物，但是只有钻石和石墨是由纯碳组成的晶体。它们在晶体结构上有很大的差异，故被称为碳的同质异像变体。钻石和石墨在晶体结构、形态和物理性质上的差异主要由它们成键的形式不同所造成的。碳原子的sp3杂化与钻石结构

 

　　碳原子的电子层结构是1s2 2 s2 2 p2。即它的外层电子有四个，有两个是2s电子，有两个是2p电子。2s次层只有一个轨道，这两个2s电子都在2s轨道上，自旋相反。2p次层可以有三个轨道2px，2py，2pz。故碳原子的外层有四个轨道，即2s，2px，2py，2pz。电子在这四个轨道上运动时，电子云分布情况。两个电子由于相互排斥，在2p次层上运动时，要尽可能分配在两个不同的轨道上。故碳原子的电子层结构可以写为:1 S22 s22 pxi 2 p yi，其中只有两个未成对的价电子2px与2py，故对外联系只能形成两个共价键。但如果把一个2s电子激发到2pz轨道，使电子层结构变成:1 S2 2sl2 pxi 2 p yi 2 pzi，则就有四个未成对的价电子，与外界联系可以形成四个共价键。

 

　　2s电子激发到2pz虽然要花费些能量，但这样可以多形成两个共价键，可以得到更多的结合能。故在可能的情况下，2s电子要激发到2pz轨道，构成四个价电子，可以对外形成四个共价键。当碳原子与外界形成四个共价键时，它外层的四个轨道(2s，2px，2py，2pz)要相互混合重新组成四个等同的新轨道，称为杂化轨道sp3。这四个杂化轨道的方向是指向正四面体的四角，同甲烷分子CH。这说明碳原子的四个sp3杂化轨道，其电子云分布是集中在四面体中心与四个顶角之间，分成四个相同的分支。这样的杂化轨道称为四面体杂化轨道，与外界联系时，要尽可能按四面体结构来成键。由此可见，当很多碳原子按s p3杂化轨道来互相成键时，每个碳原子要与相邻的碳原子形成四个共价键，因而就很自然地形成了两种钻石结构，一种属闪锌矿结构类型，即通称为立方钻石(天然钻石和合成钻石一般都是立方晶系);另一种属铅锌矿结构类型，如图13 -3所示，即通称为六方钻石(首先发现于陨石中，后来用动压法被合成出来;对石墨单晶沿c轴方向加温加压，得到的也是六方晶系的钻石)。这说明了碳原子之所以能形成钻石结构，是与碳原子的外层电子结构和它们的相互作用成键的状况有关。共价键是饱和键，具有很强的方向性，因而使得钻石具有很大的硬度。