グラファイトとダイヤモンドの特性の違いは、結晶構造における炭素原子の配置の違いによるものです。ダイヤモンドでは、炭素原子は四面体構造に配置されていますが、グラファイトでは、炭素原子は 2D シートに配置されています。炭素原子の配置が異なると、2 つの同素体の化学的および物理的特性が異なります。
ダイヤモンドとグラファイトは同じ元素 (炭素) の 2 つの同素体であり、それらの特性の違いは結晶構造の配置方法の結果です。ダイヤモンドとグラファイトはどちらも純粋な炭素でできていますが、その特性には劇的な違いがあります。同じ元素の同素体として、多くの類似点を共有していると思われるかもしれませんが、そうではありません.
最初は、この質問は多くの人にとって奇妙に思えるかもしれません。ダイヤモンドとグラファイト…特に賢明な組み合わせとは思えません。ダイヤモンドとゴールド、またはダイヤモンドとサファイアの方が理にかなっていますよね？では、なぜダイヤモンドはグラファイト (鉛筆の中にあるもの) と同じカテゴリーに入れられるのでしょうか?
高校での化学の授業に注意を払っていたなら、実際には、化学と化学の間には非常に強い構造的関係があることを知っているでしょう.
2つの関係は何ですか？そして、なぜそれらは互いにそれほど異なるのでしょうか?
同素体とは?
元素の同素体（「同素体」とも呼ばれる）は、原子の配置が異なる同じ物理的状態で複数の形で存在するその元素の能力です。さまざまな形態は、特定の化学元素の同素体と呼ばれます。
相互に視覚的に幾何学的な形状を得るために、任意の数のパターンで配置できる 36 個のボールがあると想像してください。
これらの形状 (ボール) の構成要素は原子を表し、(さまざまな配置のために) それらがとるさまざまな形状は同素体です。
同じ元素の同素体は異なる結合配置を持ち、物質の異なる化学的および物理的特性を引き起こします。さらに、同素体が異なれば、分子の原子数も異なります。
次の画像は、リンと酸素のさまざまな同素体を特徴としています。
炭素の同素体
同素体の世界では、炭素はまさにロックスターです。その化学構造のおかげで、多くの同素体を形成する能力があります。その原子番号は 6 で、原子価殻に 4 つの電子があることを意味します。
現在のところ、8 つ以上の炭素の同素体が特定されており、さらに多くの同素体を発見するための研究が進行中です。
炭素の異なる同素体 (写真提供:ウィキペディア)
しかし、知られているすべての同素体の中で、最も人気のあるものはダイヤモンドとグラファイトです。これら 2 つの同素体は、視覚的には信じられないほど異なるように見えますが、依然として炭素だけでできています。それらの組成は同じですが、炭素原子の配置のおかげで、異なる化学的および物理的特性を示します。
なぜダイヤモンドは硬いのにグラファイトは柔らかいのですか?同じ元素 (炭素) で構成されていますか?
要約すると、ジオメトリという 1 つの要素に集約されます。 .
ダイヤモンドの炭素原子の配置は、四面体方式に従います。これは、各炭素原子が他の 4 つの炭素原子に結合し、強力な共有結合を形成していることを意味します。
この結晶配列はエネルギー的に非常に有利であり、ダイヤモンドにその特徴的な強度、耐久性、および剛性を与えます。引っ掻いたり壊したりするには大きな力が必要なため、地球上で最も硬い天然素材の 1 つとなっています。
一方、グラファイトは、ダイヤモンドとはまったく異なる幾何学的配置を持っています。その炭素原子は 2D シートに配置されていますが、各炭素原子は他の 3 つの炭素原子と結合して無限配列の六角形の環を形成しています。個々の層内の原子の結合は共有結合であるため非常に強力ですが (ダイヤモンドに見られるのと同じくらい強力です)、層間の結合は弱いです (ファン デル ワールス力)。
この結果、レイヤーはそれぞれの上をスライドし、互いに非常に簡単に分離できます。複数の炭素原子間のこれらの弱い結合により、鉛筆に使用されているグラファイトが紙の上で剥がれ落ち、書くことができます.柔らかく滑りやすいだけでなく、グラファイトはダイヤモンドよりもはるかに密度が低い.
これらすべてについて私が最も驚かされることの 1 つは、同じ物質の化学構造をわずかに変更するだけで、外観、靭性、および化学的性質が大きく異なることです!
