同樣是C, 為什麼C60的熔點比鑽石低?

碳60(C60)和鑽石化學本質上都是碳元素,所以從化學角度來說,C60和鑽石是同位素(isotope),即原子數量相同,中子數量以及質量不同。同位素的化學特質是相通的,物理特質卻不同,也就是一切與化學反應無關的特質都是不同的——所以C60與鑽石的熔點會不同。

那麼為什麼C60的熔點要低一些呢?因為一個物質從固态(solid)融化成液态 (liquid) 時,物質的粒子(particle)之間的距離會增加,其物質熔點的高低與粒子距離增加的難易程度有關。這個難度就要看粒子之間的吸引力了:covalent bond 【intra-molecular force (giant covalent structure)】 > ionic bond [intra-molecular force (giant ionic structure)] / metallic bond [intra-molecular force (giant metallic structure)] > hydrogen bond [inter-molecular force (simple molecular structure)] > van der Waal's force [inter-molecular force (simple molecular structure)].

如果一個物質粒子中的原子都是金屬(metal),那它就屬于giant metallic structure, 原子之間的力(intra-molecular force)是metallic bond。如果一個物質粒子中的原子是一個金屬和一個非金屬(non-metal), 它就屬于giant ionic structure, 原子之間的力是ionic bond。如果一個物質粒子中的原子都是非金屬,它屬于giant covalent structure, 是covalent bond;而如果這個物質粒子裡的原子是有固定數目的,所以所有能用化學符号表現出來的物質都是simple structure. 因為simple structure的結構無法延伸,隻能靠範德華力(van der Waal's force)和其它相鄰的粒子相吸引,接在一起組成物質。此外,有些simple structure的粒子中有氫原子(H)和另外一個吸引力強的原子,如氮原子(N)、氧原子(O)和氟原子(F),這樣的粒子就會有額外的氫鍵(hydrogen bond)。

這麼看來,C60就是simple structure, 鑽石是giant covalent structure; C60是最弱的van der Waal's force,而鑽石則是最強的covalent bond. 由此可見鑽石粒子之間的力比碳60的要大,所以熔點更高。這就是為什麼C60的熔點比鑽石底。

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