师：同学们好，通过前面的学习，我们知道丰富多彩的物质世界都是由元素组成的。比如氧气由氧元素组成，氢气由氢元素组成，水由氢、氧两种元素组成。不同元素能组成不同物质，那同种元素能否组成不同物质呢？研究表明，同种元素也可以组成不同物质，像氧气和臭氧都由氧元素组成，红磷和白磷都由磷元素组成。透明的金刚石、灰色的石墨和足球状的碳60都是由碳元素组成的，它们有哪些性质和用途呢？今天我们就来学习相关知识。下面请同学们打开课本，阅读107 - 108页的内容，找出金刚石和石墨的物理性质和用途。看完了吗？好，我们先来看第一个问题，金刚石和石墨有哪些用途呢？这些璀璨夺目的钻石，是由天然金刚石经过仔细研磨制成的，可以镶嵌在项链、戒指上，因含有不同杂质而呈现不同颜色，如粉色、蓝色。老师收集了几款世界著名钻石的图片，我们来欣赏一下。
这款闪闪发光的金色钻石是金禧钻石，它是目前世界上最大的钻石，重约545.67克拉，1986年在南非被发现，现在保存在曼谷大皇宫中，估计价值上千亿美元，堪称无价之宝，也可以说是世界上最贵的钻石。这款库里南一号也叫非洲之星，重约530.2克拉，重量仅次于金禧钻石，位居世界第二，现在被嵌在英王的权杖上。这款名为樱花的紫粉钻石重约15.81克拉，2020年在香港佳士得拍卖会上拍出了1.8亿元的价格。
从这里我们看到钻石非常昂贵，但因其高贵华丽，人们依旧热衷于拥有它。这是切割玻璃用的玻璃刀，刀头上镶嵌着金刚石。这是金刚石钻头，可以钻凿坚硬的岩层，广泛用于地质勘探、石油勘探、煤炭开采等方面。还有金刚石砂轮，用于磨削硬质合金。那石墨有哪些用途呢？
生：可以用来制铅笔，当黏土和石墨按一定比例混合就能制成不同硬度的铅笔芯。
师：对，我们常用的铅笔型号有很多，像HB、2B、4B、2H、4H等等。那么铅笔中的H、B分别表示什么呢？H代表坚硬，H前面的数字越大，表明铅笔芯越硬，颜色越淡，用于木工划线、野外绘图等。B代表黑，B前面的数字越大，表明颜色越浓、越黑，适合绘画，也可用于填涂一些机器可识别的卡片，比如我们常用2B铅笔填涂答题卡。HB型笔芯软硬适中，适合一般书写或打轮廓。把铅笔芯削成粉末放到锁眼里，或者用铅笔在钥匙上划一划，还可以打开生锈的锁。除此之外，石墨还被广泛用作电极材料，比如干电池上的石墨电极、电车上的石墨电刷。
以上是我们总结出的金刚石和石墨的用途。在空气那一节，我们学过物质的性质和用途的关系，你能根据金刚石和石墨的用途梳理出它们的相关性质吗？同学们试试。
下面我们来看看梳理的结果。金刚石做装饰品，利用了它无色透明、正八面体的固体，有闪烁光泽的性质；用于切割玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属、做钻头，体现了它硬度大的性质。事实上，金刚石是天然存在的最硬的物质。石墨做铅笔芯，体现了它是深灰色不透明的细鳞片状固体，质软且有滑腻感的性质。与金刚石相反，石墨是自然界最软的物质之一。打开生锈的锁，体现了石墨有良好的润滑性。用作电极材料，体现了石墨有良好的导电性。通过以上分析，我们建立了金刚石、石墨性质和用途的关系。性质决定物质的用途，从用途上又能体现出物质的某些性质。这时我们又发现了新问题，金刚石和石墨都是由碳元素组成的，为什么物理性质差异这么大呢？回答这个问题之前，我们先来看看两种物质的微观结构，同学们推测一下哪个是金刚石的结构，哪个是石墨的结构，可以讨论一下。
生：有的同学说金刚石非常硬，所以在微观结构上应该很稳定，不容易拉开，由此认为第一个结构是金刚石的结构，那另一个结构就是石墨的结构。也有同学认为石墨是细鳞片状的固体，应该是一片一片的。还有同学说用铅笔写字不但能留下痕迹，而且书写流畅，从而认为石墨的结构应该是层状的，而且容易滑动。
师：根据大家的分析，我们来小结一下。同学们仔细观察金刚石的结构，每一个碳原子与几个碳原子相连呢？
生：每个碳原子都会与四个碳原子相连，构成正四面体，以这个骨架无限延伸，构成了立体网状的结构，这样的结构很稳定。
师：而石墨是层状结构，每一层内的碳原子以正六边形的形式连接并无限延伸，形成石墨单层。层与层之间有作用力，但力比较弱，容易滑动。
通过以上分析，请同学们再思考一下，物质的结构与性质之间存在什么关系呢？
生：物质的结构决定了物质的性质，从性质上体现出物质的结构。
师：分析好了金刚石和石墨的微观结构，请大家再来回答问题。金刚石和石墨都由碳元素组成，为什么物理性质却有很大差异呢？
生：因为碳原子的排列方式不同。
师：碳单质家族除了金刚石和石墨以外，1985年科学家又发现了第三种碳的单质——碳60。这部分内容在课本108页，请同学们阅读一下。通过阅读我们知道，碳60是由碳60分子构成的，一个碳60分子由60个碳原子构成，形状像足球，所以又叫足球烯。在这个球状结构中，有60个顶点和32个面，32个面中有12个正五边形和20个正六边形。这样的结构决定了它有怎样的性质，又有什么用途呢？带着这样的问题，我们来看视频寻找答案。
（播放视频）
师：通过视频我们了解到，碳60在医药、新材料方面都有重要用途。另外，碳60也广泛应用于超导体、光学元件、新型催化剂等等。通过对金刚石、石墨、碳60的学习，我们知道物质的结构决定物质的性质，物质的性质决定物质的用途，反过来从用途上体现物质的性质，从性质上体现物质的结构。从这我们受到启发，能不能通过改变物质的结构创造出新的物质呢？事实上，早在20世纪30年代，在高温、高压和催化剂的条件下，用石墨为原料就制造出了金刚石，制造出的金刚石在硬度上和天然金刚石差不多，但透明度和外形都达不到天然金刚石的水平，而且只能制成小颗粒的金刚石。同学们，用石墨制金刚石是什么变化呢？
生：是化学变化。
师：在20世纪80年代，科学家又摸索出在较低的温度和压强下，用甲烷为原料也能制成金刚石，而且制得的是金刚石薄膜。把金刚石薄膜沉积在刀具上，可以使刀具长时间保持锋利。涂在计算机集成电路块上能抗辐射，也可作为计算机硬盘的保护层。目前，我国已是人造金刚石的主要生产国。
除此之外，2004年英国曼彻斯特大学的海姆和他的同事用类似于胶带粘撕的方法从石墨中分离出了单层的石墨片，又叫石墨烯。厚度与一个碳原子的直径相当，仅为0.335纳米，是目前人工制得的最薄的材料。这一成果获得了2010年的诺贝尔物理学奖。别看它很薄，却恰恰因为这种单层结构决定了它有优异的导电导热性能。