“钻石恒久远，一颗永流传”
“钻石恒久远，一颗永流传”。这句金典广告词主要包含两个方面的意思；其一，说明钻石的价值高；其二，说明金刚石的性质很稳定，在通常状况下不会发生变化，能够保存很久，因此“钻石也就成为了爱情的象征”，很多情侣都渴望自己的爱情能够像钻石一样“永恒”。如果从其组成来分析，金刚石与随处可见的木炭的组成元素是一样的，都是由碳元素组成的。为什么由相同元素组成的物质，其性质却有天壤之别呢？
为什么金刚石和石墨物理性质相差那么大呢？
要清楚解答这一问题，必须从本文的以下几个方面去理解。这也是“碳和碳的氧化物”一章节的重点知识，也是每年化学中考的考点。
1、首先要明白一个概念，就是“同素异形体”
大千世界，纷乱复杂，形形色色，每时每刻都在发生着无数的变化；在这些变化中有的物质消失，也有新的物质产生。据科学研究发现，世界上大概有300多万种物质，然而组成如此庞大物质体系的“基本单元”却只有一百零几种。这个“基本单元”就是元素，物质都是由不同的元素组成的。这一百零几种元素经过不同的排列和不同的组合的方式，组成了如此庞大的物质体系。即使同一种元素，也能够组成不同的物质；比如氧气和臭氧，这两种不同的物质，虽然它们的性质绝然不同，但是它们的组成元素是相同的，都是由氧元素组成。再比如红磷和白磷，它们的性质有很大的差异，属于两种不同的物质，但是其组成的元素是相同的，都是由磷元素组成。像这些物质，在化学上称为“同素异形体”，什么是同素异形体呢？就是指由同种元素组成的不同单质。随着科技的进步，人类已经成功合成了很多新的物质，比如“C60”和新型的碳单质“C540”，都是碳元素的不同单质，它们与石墨和金刚石互为同素异形体。
由碳元素组成的不同单质有很多种，比如金刚石和石墨就是两种最常见的碳的同素异形体。虽然它们有着天壤之别的“外表”，但是却有相同的“内心”；它们都是由碳元素组成的不同单质。也就是说同素异形体虽然都含有相同的元素，但是它们分别属于不同的物质种类。
2、碳单质性质不同的原因在于它们构成的原子排列不同
物质的性质主要取决于物质的结构，物质的结构主要是指构成物质的原子的排列方式。比如金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，即都是由碳原子构成的物质。它们性质的不同，肯定与组成的元素无关，因为都是由同一种元素组成；所以造成性质不同的原因只能是碳原子的排列方式不同。如下图所示，金刚石的性质与其结构密切相关，金刚石主要是由碳原子通过共价键链接而成，是一种立体结构；所以它的硬度特别大、熔点特别高。然而，石墨虽然也是由碳原子构成，它是一个层状结构，每个层内的碳原子之间是以共价键链接而成，但是层与层之间却是以华德华力链接而成，其键能比共价键的键能要小很多；所以它的层与层之间容易“脱落”分层。
金刚石和石墨的原子结构示意图
所以说“物质的结构决定物质的性质”，即使由同种元素组成的物质，如果其内部原子的排列方式不同，那么它们的性质也就不同。
3、碳元素不同单质性质差异主要体现在物理性质方面
从物质的宏观组成来看，同一种元素可以组成很多种物质。这些由同一种元素组成的物质，因为构成物质的原子的排列方式和链接方式不同，从而造成它们的性质有很多差异，尤其是物理性质方面。因为它们是由相同的元素组成，在化学性质方面则会出现相同的情况。下面就以金刚石和石墨为例来分析一下碳元素的不同单质物理性质的差异。
①外表方面：金刚石是一种正八面体、对光有反射，能够形成夺目的光彩、硬度大，是自然界最硬的物质。石墨是一种黑色或深灰色、细鳞片状、有润滑感、能够导电，是自然界最软的矿物质之一。
②耐热性能：金刚石和石墨都具有很强的耐高温性能，可以做高温环境下的材料使用，比如耐火砖、坩埚等。
③导电性能：石墨具有金属光泽，能够导电，经常用作导电材料；金刚石不具有导电性能。下面图表是金刚石和石墨的结构和物理性质差异，以及用途。
4、同素异形体的化学性质主要取决于其组成的元素原子的结构。
在中考的化学试题中，会有这样的题目“请问可以通过什么方法证明金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质？”可以将它们分别放在密闭的容器中和纯净的氧气反应，将产生的气体依次通过无水硫酸铜和澄清的石灰水。如果无水硫酸铜不变色，只有澄清的石灰水变浑浊，则可以证明它们的组成元素中只有碳元素。
碳元素组成的不同单质，虽然物理性质各不相同，但是其化学性质相同，其在常温下比较稳定，不会轻易与其它物质反应。比如古代用炭书写的字能够保存上千年，而不褪色，就是炭单质化学性质稳定的最好解释；但是在高温情况下，其性质就变得比较活泼，主要表现出可燃性和还原性。
①可燃性：金刚石和石墨以及所有的碳元素组成的单质，即碳元素的同素异形体都能够与氧气反应，具有可燃性。
②还原性：在高温下，金刚石和石墨等碳的不同单质都具有还原性，能够从其它物质的分子里得到氧，而被氧化成二氧化碳。这一性能在冶金工业中具有重要的用途。
所以说，虽然都由碳元素组成的不同单质，它们的外表差异很大，物理性质个不同相同，出现很大的跨越式的变化；造成它们性质如此差异的原因，是它们物质内部原子的排列方式不同的原因，即碳原子的排列方式不同。但是同素异形体的化学性质是相同的，因为组成的元素原子的结构相同。
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