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石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體。在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵,每個碳原子與另外三個碳原子相聯(lián),六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán),伸展形成片層結(jié)構(gòu)。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道,它們互相重疊,形成離域π鍵電子在晶格中能自由移動,可以被激發(fā),所以石墨有金屬光澤,能導(dǎo)電、傳熱。由于層與層間距離大,結(jié)合力(范德華力)小,各層可以滑動,所以石墨的密度比金剛石小,質(zhì)軟并有滑膩感。
石墨每一網(wǎng)層間的距離為3.40?,是以范德華力結(jié)合起來的,即層與層之間屬于分子晶體,同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1.42?,由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強,極難破壞,所以石墨的熔點也很高,化學(xué)性質(zhì)也穩(wěn)定。鑒于它的特殊的成鍵方式,不能單一的認為是單晶體或者是多晶體,現(xiàn)在普遍認為石墨是一種混合晶體。
石墨屬六方晶系,具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主,對分子吸引力較弱,故其天然可浮性很好。