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石墨是碳质元素结晶矿物,它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40人,同一网层中碳原子的间距为1.42A。属六方晶系,具完整的层状解理。解理面以分子键为主,对分子吸引力较弱,故其天然可浮性很好。
石墨质软,黑灰色;有油腻感,可污染纸张。硬度为1~2,沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3~5。比重为1.9~2.3。在隔绝氧气条件下,其熔点在3000℃以上,是最耐温的矿物之一。
自然界中纯净的石墨是没有的,其中往往含有Si02、A1203、Fe0、CaO、P2O5、Cu0等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式 出现。此外,还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析,除测定固定碳含量外,还必须同时测定挥发分和灰分的含量。
石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物,具有不同的工业价值和用途。工业上,根据结晶形态不同,将天然石墨分为三类。
1.致密结晶状石墨
2.鳞片石墨
3.隐晶质石墨
在 化学上,有混合物和纯净物,在纯净物中有单质和化合物,其中单质是由同种元素组成的纯净物。有趣的是同一种元素还可以形成不同的单质。例如,大家一定听说 过“臭氧层”吧?而“臭氧”就是氧元素的另一种单质,它和氧气不同,化学式是O3 。其实碳元素的单质更多,坚硬透明的金刚石、软滑乌黑的石墨、炼钢炼铁的焦炭、吸附性很强的活性炭,还有烧火锅用的木炭和被人称为“足球烯”的C60 等,碳单质的家族好兴旺吧!
下面我们就专门认识、了解一下碳家族中的重要成员:石墨和金刚石。
先请同学们仔细阅读以下谜语,并解答1、2两道小题:
一对孪生弟兄,性格长相不同,一个软滑乌黑,一个坚硬透明,
哥哥身价很低,弟弟价值连城,若遇烈火焚烧,黄泉路上同行。
1、下列关于该谜语所涉及的两物质的说法中不正确的是( )
A.这里的“哥哥”是石墨、“弟弟”是金刚石。
B.它们是碳元素的不同单质。
C.它们之间的互变不属于化学变化。
D.它们充分燃烧后生成同一种物质。
2、上述谜语中的“哥哥”,在下列所述各性质上不比“弟弟”差的是( )
A.硬度 B.密度 C.熔点 D.沸点
同 学们解答1题可能没什么问题。课本上介绍过金刚石和石墨都是碳元素的单质,也介绍了它们的部分物理性质,所以,不难看出A和B是正确的。对于C,只要大家 明白二者虽然都是碳元素的单质,但他们却不是同一种物质,就不难看出他们之间的互变应该是化学变化,所以C是错误的。最后根据它们都是碳元素的单质,充分 燃烧后都会生成二氧化碳,判断出D是正确的。
由于同学们知识有限,解答第2题可能会有困难。现在我们不妨先认识一下金刚石和石墨的结构。金刚石和 石墨虽然都是由碳原子构成的,但二者的原子结合方式却有很大差别,在金刚石中每个碳原子都紧密结合着另外的4个碳原子,并向空间发展成立体网状结构,要破 坏它很困难,需要很高的能量,所以它的密度较大,而且它是目前硬度最大的物质。
在石墨中每个碳原子都紧密结合着另外的3个碳原子,并向外发展成平 面网状结构,石墨就是由多个这样的“层”重叠在一起构成的。在石墨中,尽管同一层上的碳原子之间连接的很紧密,甚至比金刚石的结构强度还要大,但是各层之 间的距离很大,强度也小的多,所以石墨的密度和硬度都不如金刚石,而且在石墨中,层与层之间还非常容易滑动。
现在同学们已经知道了应该如何看待 A、B两项了,也许认为石墨的熔点、沸点也比金刚石低吧?要解决这个问题,我们还是要从结构上去分析、推理。前面提过,在石墨中“同一层上的碳原子之间连 接的很紧密,甚至比金刚石的结构强度还要大……”,要破坏同一层上碳原子之间的连接,则应该提供比破坏金刚石结构还要多的能量。而要使固体熔化,正是要通 过加热,提供能量,破坏微粒间的连接,使之变成液体的,所以石墨的熔点是高于金刚石的。值得指出的是,当石墨和金刚石一旦熔化成液体,就不会存在“结构” 不同的差别了,就完全一样了,所以,它们的沸点不用说,同学们也知道了。
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