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石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。 石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”，汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。
高纯石墨结构式由sp2杂化轨道形成的，即1个2s电子和2个2p电子杂化形成等价的杂化轨道，位于同一平面上，交角120°，它们相互结合形成键，而1个未参加杂化的2p电子则垂直于平面，形成π键，由此构成高纯石墨的六角平行网状结构，以平行于基面的方向堆砌。
在高纯石墨平行网状层内是σ键叠加π键，而在六角平面网层间则以较弱的范德华分子键结合。石墨有两种堆砌形式：一种以AB AB 三维空间有序排列称为六方晶系石墨，其碳原子间键长为1.4211*10的-10次方m，层间距d=3.3538*10的-10次方m，晶胞边长。a=2.4612*10的-10次方m，晶胞高c=6.7079*10的-10次方m；另一种是以ABC ABC 三维空间有序排列，称为斜方晶系石墨，这种结构实际上市六方晶系的变态，是由于晶体缺陷造成的。这种石墨在天然石墨中占20%~30%，当3000℃处理后，就成为六方晶系，故在人造高纯石墨中不存在。
具有理想高纯石墨晶体结构的巨大石墨单晶体是不存在的，即使从天然鳞片石墨中精选出来的单晶，其尺寸也仅几毫米。但它作为一个科学模型，对碳素材料来说具有重要的指导意义。
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