该文作者：潘宗栋 侯贺晟（中国地质科学院）

为第五届“保护地球 精彩地质”科普作品大赛优秀作品

大家好，我是石墨，我最早由德国矿物学家A.G.Werner（1749~1817）命名。在自然界中，我的肤色一般为钢灰色或黑色，形状主要有鳞片状和土状两类，还有部分以块状形式产出。我具备导电、导热、润滑、耐磨，以及耐高温、抗腐蚀、防辐射等诸多优良性能，所以我是重要的矿产资源。北魏·郦道元于《水经注》中记载，“洛水侧有石墨山，山石尽黑，可以书疏，故以石墨名山矣”。在日常生活中，因为我质地软，经常作为铅笔芯、颜料和大家见面。同时由于具有良好的导电性和耐高温的性能，我也会出现在工业界作为锂离子电池的负极材料、高温电炉的电极、导热膜、冶金炉的内衬以及炼钢业的钢锭保护剂。并且因为抗腐蚀性，所以我可以作为防腐涂料、化工管道、耐酸槽、耐碱槽等。近年来我也被用来作为新型碳材料石墨烯的原料，石墨烯可以应用于新能源汽车、高端装备、海洋工程等不同高新领域。

图1 隐晶质石墨矿石（采自吉林永吉县烟筒山镇）

我有一个双胞胎兄弟——金刚石，我们都由碳原子构成。我呈刚灰色、金属光泽，具有良好的导电性，而金刚石多呈无色透明，不导电。并且我是最软的矿物之一，它却是天然最硬的物质。我们很疑惑，为什么我们亲兄弟，都由碳原子构成，但是我们的物理性质却大不相同？原来是因为我们的碳原子排列方式不同，碳原子通过强烈的相互作用（化学键）紧密结合时，原子间的距离越小，相互作用越强。我是层状结构（如图2所示），在每一个片层上每个碳原子会和周围的3个碳原子通过相互作用结合，两个碳原子之间的距离约为0.142nm，由于距离较小，所以两个碳原子的相互作用较强。而层与层之间的距离是0.335nm，由于距离比较大，碳原子之间的相互作用较弱，因此容易沿着层面之间平行的方向滑动，所以我很柔软。然而在金刚石具有六面体结构（如图3所示），每个碳原子都与周围的4个碳原子通过强烈的相互作用紧密结合，两个碳原子之间的距离约为0.155nm，从而形成致密的三维结构，正是这种致密的结构，使得金刚石成为天然存在的最坚硬的物质。

导电性的不同也与我们的结构有关，研究表明碳原子最外层有4个电子。在我的一个片层中，每个碳原子会与其周围的3个碳原子通过“共用电子对”形成强烈的相互作用（化学键），每个碳原子只有3个最外层电子参与这种“力”的形成，这样就会剩下1个自由电子。因为有大量自由电子存在，所以我具有良好的导电性。而金刚石中每个碳原子与其周围的4个碳原子通过“共用电子对”形成强烈的相互作用，碳原子最外层的4个电子几乎都参与了这种“力”的形成，基本没有自由电子，所以基本不导电。

图2 石墨的结构模型

图3 金刚石的结构模型

在自然界中，我一般会包含SiO2、Al2O3、FeO以及粘土、沥青等杂质形成石墨矿床。石墨矿床的形成需要具备两个主要条件：第一是大量的碳质，因为我主要由碳元素形成；第二是合适的热力学条件，例如相当高的温度（比如岩浆热液提供热源）。当然，因为形成的条件不一样，我的结晶程度会有所不同，分为晶质石墨和隐晶质石墨，也就是鳞片状和土状。在中国，我的家乡主要在黑龙江、山东、山西、内蒙古、吉林、新疆、湖南、湖北、四川等省（区）。在全球其他国家，我的家人们主要分布在土耳其、巴西、莫桑比克、坦桑尼亚、印度、越南等国。虽然我们家族分布较广，但是我们属于不可再生资源，因此需要大家的多多爱护。

图4 晶质石墨矿石（采自广西博白县黄陵镇），照片由广西壮族自治区区域调查研究院陈子龙工程师提供