金剛石與石墨誰更穩定？

「已登出」2018-09-09 23:12:38

石墨。高中課本上講過拿放大鏡照鑽石變成二氧化碳的土豪試驗。

小侯飛氘2018-09-17 12:41:22

金剛石相僅在高壓下穩定存在，常溫常壓下的金剛石在熱力學上是不穩定的，會自發的轉變成石墨相，相變的吉布斯自由能大約是2。9 kJ/mol。不過這個金剛石-石墨相變的能壘比較高，轉變過程非常慢，所以才產生了一種“鑽石恆久遠，一顆永流傳”的幻覺。

C的高壓相圖

知乎使用者2018-09-17 15:59:43

金剛石在自然條件下是高溫以及超高壓變質作用下形成的，所以看起來更穩定。。。（給你一個同樣的地應力和溫度，你也可以變得像鑽石一樣（滑稽））

然而事實上，世間的反應或多或少都是可逆的，鑽石正反應條件這麼苛刻，逆反應條件自然鬆一些，這就可以說明鑽石其實不穩定，但從時間上來說還是比人穩定，因為沒人見過自然變質的鑽石～

最簡單的方法：自然界中哪種物質多，就說明哪種物質越穩定，這是機率的問題，雖然不完全對，但一般的判斷並不影響

amx131052018-09-20 10:08:21

外行強答預警

很顯然，常溫常壓下，熱力學穩定的是石墨，而金剛石是處於一個介穩狀態。所以我認為，雖然並不穩定，但是由於轉化速度非常緩慢，常溫下金剛石依然不會真正地變為石墨。

知乎使用者2019-06-05 07:44:04

此穩定顯然比熱力學穩定廣泛且複雜。

本題放在自然科學和材料科學背景，而不僅僅是化學、熱力學背景下，

@小侯飛氘

諸君的回答還是太侷限了點。因為實際材料的行為特徵很少嚴格按熱力學相圖規律變化，完美的單一純粹材料也並不常見（包括單晶金剛石），使用條件下的諸多動力學因素隨時可能加速或阻滯其熱力學轉變。

穩定性的涵義在材料應用中非常豐富，大致可歸結為外部條件導致自身結構或者效能發生明顯變化從而影響其正常功能或破壞的程度。

金剛石和石墨在工程技術與科學研究中以多種面目出現，比如金剛石薄膜、粉末、顆粒、燒結體、沉積層、鑲嵌體，以及石墨塊、棒、板、刷、粉、膏、漿、烯等。其面臨的工況條件（比如受力大小和作用方式、溫度高低和變化快慢、電磁場影響等）和環境介質（接觸固/液/氣相物質種類、濃度、壓力以及相對運動速度和運動形式等）千變萬化，穩定性也就無處不在變換面目和身份，需要處處小心，沒有統一答案。

除了正常佩戴小心保管的鑽戒，金剛石通常比較「脆弱」。

是不是很像愛情之需要精心呵護？下面的正式回答就是金剛石接受各種考驗時的大致表現，請仔細對號入座。

大塊鑽石正式加工的第一步：尋找聚集缺陷和解理裂隙以確定切割方案

（以下內容根據各種現有技術資料收集整理，僅作通俗說明，不提供專業資料）

熱力學穩定

前面幾個回答基本一致，還有英文日文相圖和自由能資料支援，石墨比金剛石熱力學穩定無疑。但亞穩態的金剛石，常溫常壓要變成穩態的石墨，也是一個無比漫長的過程，請相信「鑽石恆久遠」的人暫時安心。

（其實有沒有這點常識完全不影響鑽石的魅力或者騙局）

熱穩定

材料的熱穩定性通常包含三層意思：一，溫度變化引起材料效能明顯變化，比如冷脆（碎裂）或熱融（軟黏）而影響使用，甚至發生晶體結構轉變；二，溫度變化引起材料尺寸變化（熱脹冷縮）而影響與之相接的覆層（剝落）或裝配材料使用（鬆緊）；三，溫度驟變是否容易導致材料破壞（熱震）。在這三個方面，由於彼此功能與使用條件的不可替代性，金剛石和石墨熱穩定性只能籠統說還不錯，不好直接對比。

但高壓下的金剛石比較容易受熱轉變成石墨是不爭的事實，且低維材料的常壓抗熱振效能不太好，比如金剛石薄膜的很多應用對襯底材質非常挑剔，膨脹係數需要高度一致，或者使用溫度必須嚴格控制。

（即金剛石更要求門當戶對，石墨比較容易湊合著過）

化學穩定

化學穩定性指的是材料在服役條件下長時間與直接接觸的物質是否容易發生化學反應而導致失效或破壞。因使用工況條件不同，石墨與金剛石的化學穩定性頗不一致。以碳鋼為例，由於鐵碳親和性很高，所以當碳材料與鋼發生劇烈摩擦運動（如切割時誤用金剛石鋸片以及使用石墨固體潤滑），碳材料可能被顯著消耗（表面上看近似黏著磨損）。其中由於石墨導熱好、熱穩定性也好、且具有自潤滑性，所以金剛石完敗。（金剛石的相關理論資料，相當於出身背景，在工程應用中經常毫無意義）

其他作用介質（比如生物實驗中）的影響各有特色，多數情況金剛石不如石墨穩定，只是同場較技的使用場合不多罷了，但相同測試條件還是容易做到的，可能極少有人無聊到那個程度，非要比試一下。

（隱喻不要隨便試探對方的忠誠度）

此外，化學穩定性顯然還有一個重要影響因素不容忽視，即材料的聚集狀態，例如沒有人會把石墨塊與石墨粉或石墨烯的化學穩定性混為一談。

力學穩定

材料的力學穩定性一般包括剛度和衝擊韌性，前者涉及彈性變形後者關乎脆性斷裂。由於金剛石與石墨本身的性質以及使用形態和尺寸十分不同，所以相同測試條件下比拼有些麻煩，比如沒辦法做成形狀尺寸一樣的單晶或多晶力學效能測試標準試樣，所以相對於化學穩定性資料特別稀少。但因二者理論數值差別明顯，雖然沒有可靠的實際材料測試資料，可以大致認為金剛石剛度優於石墨，而衝擊任性一般不如石墨。

和普通金屬材料相比，金剛石的剛度當然沒有問題，但衝擊韌性就大大不如了。所以金剛石遇到隨處可見的金屬製品和構件時，還是躲遠點好。

（相當於不涉危地，或者不要自甘墮落吧）

電磁穩定

有些材料在磁場電場中會產生不同的響應，但這種響應可能影響其原有使用效能或這種響應本身隨環境條件（一般是溫度或受力變化）容易改變的話，可以認為這種材料的電磁穩定性較差。這個方面的比拼也比較複雜，因為電磁引數變化範圍實在太大，而金剛石與石墨亦極少同場競技，比較的實際意義不大。

另外聲光色的作用其實也會影響一些低維碳材料的響應效果，暫時沒有多少資料支援金剛石一定優於石墨。

（類似功名利祿的試探）

輻射穩定

工程應用和科學研究中可能還會遇到諸如輻射（照）穩定，其基本含義仍然是輻射是否容易造成材料顯著失效，當然在完成核遮蔽前提下。出於實際需求和使用中功能與成本的考慮，做結構材料的話石墨優勢明顯，金剛石則在功能器件方面可以勝出。這已經把是穩定性的比拼了。

（輻射相當於時代潮流，算是一種婚姻預測吧：平淡和浪漫都是必須，但畢竟比重因人而異，不要輕易給愛情或婚姻設限或與他人比對）

總之，材料語境下的金剛石和石墨，其穩定性絕非單一資料指標所決定，且與任何現有理論資料出入巨大。沒有人可以根據現有理論隨便斷定一種材料一定比另一種材料好。

科普永遠比圖書或者論文摘錄複雜，材料科學尤其如此。

附原問題日誌：若話題「材料科學」換成「熱力學」，本回答沒有意義。