碳的同素异形体（allotropes of carbon）
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纯碳可以是地球上最硬的天然材料，也可以是你铅笔里那道柔软的黑痕；可以是蜡烛的烟灰，也可以是薄到不能再薄的几个原子厚的单层。所有这些都是同一种元素——碳，只是排列方式不同。一种元素的不同结构形式叫作同素异形体，而碳是其中的冠军。
这种多样性来自碳选择如何成键。在金刚石中，每个碳都是 sp3 杂化，与四个邻居键合成刚性的三维四面体网络，没有自由电子，这使金刚石极硬、透明且为电绝缘体（却是出色的热导体）。在石墨中，每个碳都是 sp2 杂化，与三个邻居键合成扁平的六边形片层，多出的那个 p 电子在每片内离域；片与片之间只靠微弱的范德华力相连，故能彼此滑动（石墨可作润滑剂、能在纸上写字），离域电子则在片内导电。石墨烯就是这样的单层；碳纳米管是卷成圆筒的片；而富勒烯如 C60（巴克明斯特富勒烯）是由六边形和五边形闭合而成的笼，一个分子级的足球。
碳的同素异形体意义重大：金刚石用于切削和磨料，石墨用于电极、润滑剂和核反应堆慢化剂，而更新的纳米碳（石墨烯、纳米管）则因其破纪录的强度和电学性质而备受瞩目。它们也是一个核心思想最干净的例证：完全相同的原子，仅凭成键几何就能给出迥异的材料。请注意，金刚石和石墨都是真正的同素异形体，但在常压下石墨是略更稳定的形式，金刚石只是被动力学困住（这正是为何你架子上的钻石不会变成铅笔芯）。
金刚石和石墨由相同的原子组成，却在一切方面都不同：金刚石互锁的 sp3 四面体使它成为最硬的天然固体兼绝缘体；石墨堆叠的 sp2 片层使它柔软、滑腻，并能沿片层方向导电。
同一种元素，不同的成键几何，相反的性质：这就是同素异形现象的本质。
在常规条件下，热力学上更稳定的碳的形式是石墨，而非金刚石。金刚石之所以长存，只因把它转化为石墨的速度慢到无从测量；金刚石在动力学上稳定，而非热力学上稳定。“最硬”并不等于“最稳定”。