同样是碳元素组成的,为什么碳60熔点比钻石低?
碳60(C60)和钻石化学本质上都是碳元素,所以从化学角度来说,C60和钻石是同位素(isotope),即原子数量相同,中子数量以及质量不同。同位素的化学特质是相通的,物理特质却不同,也就是一切与化学反应无关的特质都是不同的——所以C60与钻石的熔点会不同。
那么为什么C60的熔点要低一些呢?因为一个物质从固态(solid)融化成液态 (liquid) 时,物质的粒子(particle)之间的距离会增加,其物质熔点的高低与粒子距离增加的难易程度有关。这个难度就要看粒子之间的吸引力了。
从粒子之间吸引力的种类上来看,ionic bond [intra-molecular force (giant ionic structure)] / metallic bond [intra-molecular force (giant metallic structure)] > covalent bond【intra-molecular force (giant covalent structure)】> hydrogen bond [inter-molecular force (simple molecular structure)] > van der Waal's force [inter-molecular force (simple molecular structure)]. 如果一个物质粒子中的原子都是金属(metal),那它就属于giant metallic structure, 原子之间的力(intra-molecular force)是metallic bond。如果一个物质粒子中的原子是一个金属和一个非金属(non-metal), 它就属于giant ionic structure, 原子之间的力是ionic bond。如果一个物质粒子中的原子都是非金属,它属于giant covalent structure, 是covalent bond;而如果这个物质粒子里的原子是有固定数目的,它就是simple molecular structure。simple structure的结构无法延伸,只能靠范德华力(van der Waal's force)和相邻的粒子相吸引而接在一起组成物质。此外,有些simple structure的粒子中有氢原子(H)和另外一个吸引力强的原子,如氮原子(N)、氧原子(O)和氟原子(F),这样的粒子就会有额外的氢键(hydrogen bond)。
如果吸引力的类型相同,就要考虑particle之间的距离。距离越远,吸引力就越小;而原子越大,距离越远。判断原子大小的方法在化学各种冷知识合集的第三条。
知道这些后我们来看:C60就是simple structure, 钻石是giant covalent structure; C60是最弱的van der Waal's force,而钻石则是最强的covalent bond. 由此已经可见钻石粒子之间的力比碳60的要大,所以熔点更高。这就是为什么C60的熔点比钻石底。
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