談石墨變成金剛石的自發性

　研究化學反應的自發性可以從ΔG=ΔH-TΔS即吉布斯自由能 ΔG的角度進行。當ΔG0時，反應不能自發。石墨原子為層狀結構排列，而金剛石原子全部是三維對稱排列，每個碳原子與四個碳原子等距離成鍵排列呈正四面體型，一個碳原子處于中心，四個碳原子處于頂點上，熵值明顯比石墨小。所以石墨轉變成金剛石如從ΔG的角度考慮應是大于零的，反應是不能自發的。但目前世界各國都采用了很多種方法，如動態高壓法，靜態高壓法和外延生長法等合成出了金剛石。究其原因，石墨轉變成金剛石的過程除了從焓，熵和溫度方面研究其反應的自發性，還要從壓強角度研究其吉布斯自由能的轉變。
　　一、壓強的影響
　　C（石墨）→C（金剛石） （1）
　　石墨的密度小于金剛石的密度，即石墨的摩爾體積Vm（石墨）大于金剛石的摩爾體積Vm（金剛石）。根據化學平衡移動原理（即Le Chatelier原理）可知，增大壓強有利于平衡向體積減小的方向移動，即有利于反應（1）正向進行。
　　在高中化學教材中，運用化學平衡移動原理討論壓強對平衡移動的影響時，考慮到固態或液態物質受壓強的影響小，往往忽略不計。但是當壓強變化很大時，這種影響不容忽略，石墨轉化金剛石就是一例。這也正是石墨轉化金剛石為什么需要很大壓強的原因。
　　二、溫度的影響
　　關于溫度對反應的影響，在中學教學中常出現這樣的分析：查表得到反應（1）在25℃、101kPa時的焓變為ΔrHm（298K）=1895J?mol-1，即石墨轉化金剛石是吸熱反應，根據化學平衡移動原理可知，升高溫度有利于反應正向進行，故選擇高溫。然而這一結論并不正確。其原因是化學平衡移動原理僅適用于判斷處于化學平衡狀態時反應移動的方向，而在25℃、101kPa時，石墨和金剛石兩者不是處于平衡態。
　　在學習晶體結構知識的基礎上，溫度對平衡的影響可以通過以下方法解決：從結構上看，石墨的碳原子呈sp2雜化，晶體是層狀結構；而金剛石的碳原子呈sp3雜化，晶體是四面體狀結構。因此就兩者晶體結構的有序性而論，金剛石高于石墨，即石墨轉化成金剛石是ΔS熵變減小的過程。