54.流星雨弱爆了，你知道钻石雨吗？

同学们家长们大家好，这里是王木头讲科学的《万物简史》系列，也是第54次内容的1.2更新版本。

上次内容结束后，小朋友心中一定有两个问题。一个是，石墨看起来就是一个煤炭啊，它们有什么不同吗？另一个问题是，石墨不是最软的东西之一吗？可是怎么看也不像啊。

我先来说说第一个问题。石墨的确不是煤炭，之所以看起来很像，是因为煤炭和石墨都是由碳元素组成的。而且石墨还是煤炭的亲戚。煤炭在特殊情况下会变成石墨。我们都知道煤炭是怎么来的，它是因为远古时候的植物被埋在了地底，经过几亿年后变成了一种特别的化石，这种化石就是煤炭。有些煤炭被埋在很深的地方，而且非常接近地底的岩浆，有一些煤炭就会被岩浆浸入。在被岩浆侵入的情况下，就有可能会在岩浆高温的作用下发生变质，就变成为了石墨。所以，煤炭和石墨它们有关系，但仍然不是同一种东西。

然后我再来解释一下第二个问题。其实并没有说石墨是最软的东西，而是说它是最软的矿物质之一。肥肉和蛋糕可是不能算作矿物质，矿物质都是一些像石头一样的东西。也就是说石墨是最软的石头之一，比冰块还要软。

石墨的软是有原因的。石墨都是由碳原子构成的，碳原子之间就会互相分享电子，形成了一种特别的结构。就是下面这个图的样子，图上每个小绿球就是一个碳原子。

我们能看到每个小绿球都有3条连线，每一条连线都对应着一对共享的电子。就在这些共享电子的作用下，碳原子拼出了一个一层一层的蜂窝一样的结构。每一块石墨，都有着无数的碳原子，它们全部都是按照图上的样子一层一层地排列起来。

说到这里啊，想问一下小朋友们，你们知道为什么有的东西硬，有的东西软吗？其实就是要看组成这个东西的原子之间吸引力强不强。如果吸引力强的话，原子就好像是用钢筋连接起来的，动起来就不容易变形。如果吸引力不强的话，原子之间就像是用皮筋连起来的，那就很容易变形。还有像饼干那样子的，很脆，很容易碎掉，就是因为组成饼干的原子之间的吸引力不强，很容易断掉，所以就硬不起来。

我们再来看看刚才的那些碳原子，它同时被三对共享电子绑定着，可以想到每一层的蜂窝结构应该是很结实的。原子之间吸引力越强，那么这个结构就越稳定。这样看的话，石墨由三个原子一起绑着，那么应该是很硬才对啊，可是为什么石墨却还这么软呢？

这是因为，层和层之间没有共享电子，这就导致了层和层之间绑定的不那么牢靠。如果用手掰石墨会很容易掰碎，就是因为石墨中层和层之间不给力。这也是我们能用铅笔写下字的原因，每次铅笔芯在纸上划过的时候，都会有一层层的石墨留在纸上。

如果小朋友们仔细观察的话可能还会发现，一个碳原子不是应该有4对共享电子才能填满最外层吗？这里只有3对共享电子啊。这又是为什么呢？这个解释起来就非常麻烦了。总之原子虽然希望自己最外层的电子数是满的，但是在某些原子组成的特殊结构下，即使不满也可以保持稳定，就比如说石墨的这个蜂窝结构。

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不过正是石墨里面的碳原子只有3对共享电子，才给石墨带来一项特殊功能，就是导电。我们都知道导电是因为有自由电子，在石墨的结构中，3个电子对组成的这个蜂窝结构已经让它很稳定了，那么还剩下1个电子它就有些多余。于是这个电子就成了没人疼没人爱的自由电子了，跟金属很像。如果给石墨通电的话，石墨就是靠这些自由电子来传递电力的。

那碳原子有没有四个电子全部都共享出去的情况呢？当然有了，我给大家看个图。

看到图上的中间的那几个小黑球了吗？它们就是有4对共享电子。或许你会问，为什么只有中间这几个有，其他在边上的那些碳原子就不是共享4个电子了呢？它们全部都是有4对共享电子，因为图上只显示了其中的一部分。

也许你会说，有三个共享电子已经可以那么稳定了，这有四个共享电子，那岂不是结构会更稳定吗？没有错，这个结构就是最稳定的原子结构，它组成的东西也是最结实的东西。那就是钻石。钻石为什么可以这么硬，也是这个原因。

不过这还是不能解释为什么钻石是世界上最硬的东西。由四个共享电子分别绑着碳原子，这是让钻石坚硬的重要原因，但却不是唯一的原因。就比如像硅这样的元素也是最外层4个电子，也可以由4个原子绑定住。为什么钻石就比硅晶体还要硬呢？这是因为碳原子比硅小，所以原子和原子之间距离就近，距离越近共享电子对原子的吸引力就越大，所以钻石里面碳的四个共享电子吸引力就要比硅的大，于是钻石就要比硅更硬了。

我们再看看元素周期表，最外层是四个电子的，半径最小的，也就是电子层数最少的，是不是就只有碳了。所以钻石就是全世界最硬最结实的东西了。不过啊，你可以用锤子砸钻石，但是千万不要用火烧，因为本质上钻石和煤炭一样，都是碳元素组成的，如果用火烧的话，就会像煤球一样被烧没了。

这时候再看导电的问题，钻石因为没有了自由电子，所以就又不具备石墨那样的导电能力了。所以你看，最外层有四个电子的这一列是不是很特别呢？其实它们还有更特别的地方呢，可以说正是有了这种特别才有了我们人类，有了世界上绝大多数的生命。这部分内容，我们在下次继续介绍。

今天最后再说两个事情。一个是，虽然碳有的情况下可以导电有的情况下不能导电，这个主要原因还是因为原子组成的结构不同，和金属导电原理还是有很大差别的。再加上碳元素和其他元素反应的时候，主要表现出来的还是吸收电子或共享电子，所以它还是属于非金属的。硅元素也是这个样子，算是非金属。

另一个是，很多小朋友都会很关心的。钻石这么值钱，石墨又这么便宜，能不能用什么方法可以用便宜的石墨制造出非常值钱的钻石呢？要有了这个方法是要比炼金术更合适吗？方法是有的，在非常大的压力下是可以将石墨变成钻石，不过要想制造出这么大的压力来本身就不便宜，所以也不那么划算。

其实如果我们把目光放的更远的话，比如说木星和土星。在这些星球上就不缺钻石，甚至会下钻石雨。在土星的大气层中一年可以有1000吨的钻石被生成，钻石的大小可以达到1厘米，任意一个拿到地球上来都会是价值连城。很可惜乘坐宇宙飞船去土星，它可是比给石墨增加压力难多了，现在还根本做不到呢。

好了，今天的内容就到这里了，记得把我的音频分享给你的朋友们，让他们可以和你一起享受获得知识的快乐。