什么是同素异形体？
同素异形体是由同一种元素组成、物理状态相同的不同形态。原子是一样的，只是它们连接的方式不同。
碳在第14族（旧称第4族）。它有4个最外层电子，所以每个原子可以共用电子，最多形成4个共价键。共价键就是一对共用的电子，非常牢固。
因为碳可以用不同的方式连接，所以有了金刚石、石墨、石墨烯和富勒烯。尽管它们全是纯碳，性质却大不相同。
金刚石：巨大的共价结构
在金刚石中，每个碳原子都通过牢固的共价键与另外4个碳原子相连，形成一个巨大的三维网络，叫作巨型共价结构。
- 非常硬：想要划伤它，就得打断许多牢固的键。它是天然物质中最硬的。
- 熔点很高（超过3500 °C）：要打断这么多键，需要很多能量。
- 不导电：4个最外层电子全都用来成键了，所以没有自由电子，也没有离子可以移动。
用途：切割工具、钻头、玻璃刀和首饰（它会闪闪发光，因为它让光线强烈弯折）。
石墨：会滑动的层
在石墨中，每个碳原子只和另外3个原子成键。原子排成平面的六边形层（六条边的环）。
- 层内的键是牢固的共价键，所以石墨的熔点也很高。
- 层与层之间的作用力很弱，所以层可以互相滑动。石墨又软又滑。
- 每个原子有1个多余的电子，没有参与成键。这些离域电子可以沿着层移动，所以石墨能导电也能导热。
用途：铅笔芯、电解和电池中的电极，还有机器用的干润滑剂。
石墨烯、富勒烯和纳米管
石墨烯是单独一层石墨，厚度只有一个原子。按重量算它非常结实，几乎透明，而且导电性极好。正在开发的用途有：可弯曲的电子产品、更好的电池，以及更结实更轻的材料（复合材料）。
富勒烯是碳形成的空心球或空心管状分子。它们主要由六边形组成，再加一些五边形（五条边的环）或七边形，让表面弯曲起来。最先发现的是巴克明斯特富勒烯C₆₀，样子像一个足球。
碳纳米管是卷成细长圆筒的富勒烯。它们的长度和宽度之比非常大，抗拉强度高，导电性也好。用途：加固运动器材、电子产品和纳米技术。
富勒烯还可以把药物分子装进笼子里运送（药物输送），可以当润滑剂，因为表面积大，也可以当催化剂。
碳的化学性质
所有同素异形体都是碳，所以化学反应的方式相同。在室温下，碳相当不活泼。
- 在充足的氧气中燃烧：C + O₂ → CO₂（二氧化碳）。就连金刚石，在氧气中强烈加热也会燃烧！
- 在氧气不足时燃烧：2C + O₂ → 2CO（一氧化碳，一种有毒气体）。
- 作还原剂：炽热的碳能从一些金属氧化物中夺走氧，例如 2CuO + C → 2Cu + CO₂。高炉炼铁就是这样从铁矿石中得到铁的。
烧一颗金刚石和烧一块石墨，得到的是同一种气体CO₂。这证明它们都只由碳组成。
重点公式和概念
- 同素异形体 = 同一种元素的不同形态，原子的排列方式不同
- 金刚石：每个原子4个键，巨大的三维网络 → 硬、熔点高、不导电
- 石墨：每个原子3个键，六边形层 + 离域电子 → 软、能导电
- 石墨烯：一层石墨；富勒烯：空心笼（C₆₀）；纳米管：卷起的圆筒
- C + O₂ → CO₂（空气充足）；2C + O₂ → 2CO（空气不足）
- 2CuO + C → 2Cu + CO₂（碳作还原剂）
例题讲解
1. 金刚石和石墨的熔点都很高，但只有石墨能导电。请解释。
两者都是巨大的结构，由许多牢固的共价键连在一起，要打断这些键需要很多能量，所以都要在很高的温度下才熔化。在金刚石中，4个最外层电子全部用来成键，没有电荷可以移动。在石墨中，每个原子只用3个电子成键；第4个电子是离域的，能沿着层移动，从而传递电流。
2. 为什么石墨可以当润滑剂，而金刚石不行？
石墨的层与层之间只靠很弱的作用力结合，所以层很容易互相滑动，减小摩擦。金刚石的原子在每个方向上都被牢固的键锁住，没有什么可以滑动。
3. 如果每个原子都和3个原子成键，一个C₆₀分子中共有多少个键？
60个原子，每个有3个键：60 × 3 = 180个键端。每个键连接2个原子，所以被算了两次。键的数目 = 180 ÷ 2 = 90。
常见错误
- 说石墨导电是因为有离子。石墨里没有离子，它导电是因为有离域电子。
- 说石墨的层能滑动是因为共价键弱。层内的键很牢固，只有层与层之间的作用力很弱。
- 把C₆₀叫作巨型结构。富勒烯是一种分子，原子数是固定的。
- 以为同素异形体是不同的元素或化合物。所有碳的同素异形体都是纯碳，燃烧后只生成CO₂。