为什么金刚石是自然界最硬的物质？ 第1页

键能确实能影响硬度，但并不是唯一影响因素。硬度实际上主要是和三个因素有关：价电子密度(共价键密度)、键长和离子性。

上面例子中金刚石是纯共价晶体，而二氧化硅是极性共价晶体，其特点是既有共价性又有离子性，而离子性会引起有效共价键密度下降。因此二氧化硅硬度不如金刚石。

如果想要具体计算硬度的话，可以看田永君院士的硬度理论<<共价晶体的硬度微观理论>>，里面有对材料硬度的具体计算方法。

金刚石也被称为钻石，是由碳元素组成的一种无色晶体，是自然界最硬的物质。自然界里的金刚石一般形成于地球内部高温高压的环境，随后被火山喷发等地壳运动带到地表。

那么，金刚石为什么是自然界最硬的物质？在谈论这个问题之前，我想先说说其他物质相较于金刚石究竟差在了哪里。

首先是同样为碳的同素异形体的石墨，石墨拥有层状的结构，虽然层内由强力的共价键连接，但层与层之间却由微弱的范德华力维持。范德华力比共价键弱得多，通常其能量小于5kJ/mol，比共价键要弱2个数量级。因此，我们掰开石墨只需要破开它弱小的层间作用力即可。石墨的硬度也因此不高。

然后是与金刚石结构类似的二氧化硅，虽然既学到了金刚石的结构，还同样拥有强力的共价键，但二氧化硅的硅氧键是极性共价键，金刚石的碳碳键是非极性共价键。极性共价键由于既有共价性又有离子性，更易被破坏。举个通俗的例子，这就像两只狗狗在拖拽一块肉，如果一只狗比另一只强壮，就很容易将肉抢走，结束拖拽。但如果两只狗势均力敌，则会相持不下，维持拖拽的状态。

再看金刚石，其不仅由稳定的非极性共价键组成，所有的价电子都参与了共价键的形成，而且碳碳键键长短而键能高，其三维的构型也能够将外力分担到晶体各处。尽管有的物质拥有强力的共价键，有的物质拥有稳固的构型，但极少能像金刚石这样同时做到如此优秀的程度。

那么有物质比金刚石更硬吗？答案是有的，目前人类已经能够合成很多比金刚石更硬的材料了。例如用压缩富勒体合成的聚合钻石纳米棒，以及聚合物聚甲炔在1,000 °C氩气气氛下热分解而成的蓝丝黛尔石（Lonsdaleite）。值得一提的是，蓝丝黛尔石不仅可以人工合成，而且还是天外来客。其第一次被鉴别出，是在1967年美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑。但天然的蓝丝黛尔石拥有杂质，硬度低于金刚石，如果人工合成则比钻石硬58%。

虽然人工合成的许多物质硬度已经能够超过金刚石，但其硬度受限于共价键的强度。如果有一种物质能够不依赖电子，只需要核子构成，那么它的硬度就能突破电子的限制。那就是水滴中子星。

中子星是恒星演化到末期，经过引力坍缩发生超新星爆炸后形成的星体。电子被强大的引力压进原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子，泡利不相容原理则会维持中子星的稳定，阻止其进一步坍缩。中子星是宇宙中已知最刚硬的物体，它的杨氏模量比钻石还刚硬20个数量级。

参考资料：

钻石

石墨

范德华力

二氧化硅

聚合钻石纳米棒

蓝丝黛尔石

中子星

泡利不相容原理

一个物质的硬度，当然要靠化学键的强度，但是也要考虑到原子的排布方式。

你看同样是碳碳单键，聚乙烯硬不硬？

金刚石硬，跟C-C键能有关系，但并不是特别大。

首先，键能这个概念一般用在化学领域，在材料科学中用的比较少。因为：

• 材料中的化学键通常是相互影响的，你没法在不影响其他键的情况下，破坏掉其中的某个键。
• 不同结构中，每个原子的成键数量不一样，单纯的比较某个键的键能意义不是特别大。

因此，在材料科学中，一般用内聚能（cohesive energy）来表征原子之间的结合强度：

它大致可理解为晶体中单个原子和其周围原子化学键键能的总和。

内聚能越强，原子之间的结合越紧密，要融化材料也就更困难。因此，许多材料的熔点都大致与其内聚能成正比，这个规律也称Lindemann's criterion：

题中提到：

资料显示，O-Si键能大于C-C，理论上SiO2是不是比金刚石更硬的物质

我查了一下，金刚石的内聚能为7.346 eV/atom，而SiO2的内聚能为4.11 eV/atom，大约是金刚石的一半。对应的，金刚石熔点大约是3800K，也差不多是SiO2熔点1980K的两倍。

所以，从内聚能角度来看，金刚石的硬度高于SiO2是很没问题的。

但是，光从内聚能来判断材料的硬度，是非常不合理的（光速打自己的脸......）。

举例来说：同样由碳元素构成，石墨的内聚能为7.374 eV/atom，甚至比金刚石高一点点，但石墨却非常软，用指甲都能划出划痕。

如果一种材料硬度要高，那么它在各个方向上都得硬，不能有短板。但石墨是一种层状结构，虽然在二维平面上的强度很高，但在垂直方向上却很脆弱。所以石墨才特别软。而金刚石在三个维度上的排列都比较紧密，才能表现出较高的硬度。

此外，硬度这个量，虽然也受材料本身属性的影响，但它对微观组织形貌更加敏感。光知道材料组分就想要确定硬度是不太可能的，甚至于连定性分析都做不到。

很多人可能都有这样的体验：一根铁丝本来很软很容易被弯折，但如果你反复弯折它的话，铁丝会越来越硬。这个现象称为“加工硬化”。

在加工硬化过程中，铁丝的化学组分、原子排列结构都没有发生改变，但硬度却增加了。这是因为在加工变形过程中，铁丝内部形成了大量的缺陷，这些缺陷不利于铁丝进一步发生变形，因此材料就变硬了。以我个人的经验来看，对材料硬度影响最大的，是一种叫做位错的缺陷：

与上面这个回答中的钢材一样，金刚石也是在低温下硬而脆，高温下就比较软（又称低温脆性）。有研究指出(https://doi.org/10.1080/01418610208235692)，金刚石中位错的运动需要产生一对扭折，这一过程的激活能特别高（是金刚石禁带宽度的两倍，大约11 eV），导致位错滑移特别困难，很可能是导致金刚石硬度大的主要原因。

最后，前面有位答主提到：

这一点是不正确的。SiO2具有很多种结构，但这位答主提到的“空间网状”结构，其实和金刚石一样都是面心立方结构，同属 群，只是组成结构的基元不同而已：

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