合成钻石的碳原子sp杂化与石墨结构

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　　碳原子中的一个2s轨道与两个2p轨道(2px，2py)还可以相互混合重新组成三个等同的杂化轨道，用sp表示。这三个轨道在同一平面上形成三个分支，分别指向正三角形的三个角，如图13 -4所示。这样的杂化轨道也可以叫做正三角形杂化轨道。另外还有一个未参加杂化的2pz轨道，则与此三角形平面垂直。当许多碳原子在同一平面上相互接近相互作用时，它们就可以采用sp杂化轨道，彼此间以共价键结合成六角形的平面网状结构，如图13 -5所示，形成一个无限的平面形分子。其中每个碳原子都以sp杂化轨道与相邻的三个碳原子相结合，形成三个共价键。此外每个碳原子还多一个2pz轨道和2pz电子，这些2pz轨道都与层平面垂直，因此是相互平行的。相邻的两个碳原子的2pz电子不能形成共价键。因为一个碳原子的2pz电子要与相邻的三个碳原子同时发生联系，不能只固定与一个相邻的碳原子联系形成一个共价键。

 

　　因此2pz电子是比较自由的，不固定属于某一共价键，而是可以在整个平面网状层内运动，所有的2pz电子在六角形的平面网状格架上形成一个金属键。六角网状每边所示的实线表示共价键，虚线表示在共价键上叠加的金属键。C-C键长为0。142 nm。六角形的平面格架是由共价键组成的，具有方向性和饱和性，不能导电。在共价键上叠加的金属键，无饱和性，2pz电子在格架上可以自由移动，故可以导电。所以这样形成的无限层状分子，其键型是共价键叠加金属键，具有双重键型的特征。

 

　　许多这样的无限层状分子平行堆积起来，它们就会通过范德华力结合起来形成石墨结构。层与层间的距离是0。334nm，远较C-C键长0。142nm为大。由于范德华引力较弱，因此层与层间结合不强，可以滑移。这是石墨可以作为铅笔笔芯书写和作为润滑剂的原因。所以石墨晶体中同时含有共价键、金属键和范德华键(分子键)三种键形。钻石中的C-C键是共价键，键长0。154nm。而石墨每层中的C-C键是共价键叠加金属键，键更强一些，因而键长更短一些，是0。142 nm。这就是说石墨每层中的各个碳原子结合得比钻石中的还强，所以具有高的熔点，常带被用作高温发热体材料。