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有关金刚石与石墨问题集

铅笔芯的成分是碳,钻石的成分也是碳。用铅笔芯造钻石,早就已经不再是梦想。

作为碳元素的同素异形体,铅笔芯(石墨)与钻石(金刚石)为什么从颜色、到有关金刚石与石墨问题集硬度,差异巨大?如何用铅笔芯制造金刚石呢?

1. 根据金刚石和石墨的结构差异,如何由石墨制得金刚石?

自从人类揭开石墨与金刚石都是由碳原子构成这一奥秘,科学家就不断研究用石墨制造金刚石这一课题。

第一个制得单质氟的法国科学家莫瓦桑(并因制得单质氟气而获诺贝尔奖),就是较早研究金刚石制备的科学家之一。

那时大家都意识到,石墨转变为金刚石需要比较苛刻的反应条件,而莫瓦桑正是发明高温电炉的人,所以他自认为只有他具备制造金刚石的实验条件。

虽然莫瓦桑去世前,曾宣称自己的团队已经在实验中获得钻石,但遗憾的是他们的实验并未得到很好的再现,没有被科学界公认。

后来,随着科学理论的发展,人们对石墨和金刚石的微观结构差异有了初步认识,有人提出了爆炸法合成金刚石的新思路,即利用爆炸瞬间产生的高温、高压促使石墨通过缩小层间距离而向金刚石结构转化。

1953年,瑞典的一家公司首次运用爆炸法合成金刚石取得成功,他们把石墨粉、炸药、催化剂的混合物置于很深的水下(防止空气使产生的金刚石燃烧),引发爆炸,获得极细颗粒的金刚石粉,这样的金刚石产品只能用作研磨材料,不能作为切割工具,更不能形成大颗粒的钻石。

但即使只能作为研磨材料,也是具有开发价值的。

化学反应可以产生碳的单质,如:

2Mg+ CO2有关金刚石与石墨问题集2MgO +C

能不能通过控制反应条件,使产生的碳以金刚石的形式呈现而非石墨呢?

科学家在深入理解金刚石与石墨结构的细微差异后,提出了气象沉积法的科学原理:

运用CH3Cl、CCl4等中心碳原子结构形式跟金刚石一样(均为sp3杂化、呈四面体空间构型)的物质,在一定的氛围中逐步还原、沉积。

这样一层层碳原子不断累积,逐步形成大的金刚石结晶。

目前,该方法已经获得较大规模的运用,既用于给砂轮表面“镀”上一层金刚石薄膜(这样可以大大延长砂轮的使用寿命),也用于合成片状或晶态的金刚石。

目前,比较新的合成宝石级大颗粒金刚石的方法有“温度梯度法”。

该法跟气相沉积法不同,它是在高温高压的密封舱内,在铁的催化作用下[Fe+ C(石墨)较高温度→Fe3C稍低温度→Fe+ C(金刚石)],使石墨间接地转化为金刚石的过程。

跟气相沉积法相比,条件更容易控制,可以在较短的时间内生长形成适合切割加工的大颗粒钻石。

从金刚石的人工合成发展轨迹,我们可以深刻体会到科学原理对于生产的巨大指导作用。

2. 金刚石硬度非常大,为什么熔点却不如石墨高?

金刚石硬度比石墨大得多,缘于金刚石的“均匀一体化”的空间网状结构,无论从哪个方向施加外力,都需要同时破坏大量的共价键才能改变这种空间网状结构;

而石墨由于其具有层状结构,层与层之间距离过大、作用力太弱,容易被“各个击破”——先被轻易地“搓开”成极薄的一层层,再被外力轻易破坏掉微观的层内结构。

对于绝大多数晶体而言,一般硬度大则熔点高。

而在金刚石与石墨这里则出现了硬度与熔点不一致的情况。

金刚石的熔点3550℃而石墨熔点则为3680℃。

“熔化”,从微观层面看,意味着构成物质的微观粒子在三维空间均获得自由度(自由流动),对于金刚石和石墨来说均需要同时破坏大量共价键,故二者的熔点均非常高。

同时我们必须注意到,金刚石和石墨中的共价键强度是不同的,金刚石中碳原子均为sp3杂化,相比而言有关金刚石与石墨问题集键长较大(0.155nm);而石墨中碳原子均为sp2杂化,键长较小(0.142nm)。

键长小则有关金刚石与石墨问题集键能大,故石墨的熔化温度要比金刚石高一些。

3.金刚石中不存在自由电子,因而是绝缘体。那它的导热性如何?

答案也许出乎你的意料,金刚石是目前已知导热性最好的固体。

如果手持一片金刚石晶体,可以很顺利地把冰块“切割”开来。其实这是通过金刚石强大的导热能力,利用人体热量把冰融化的结果。

我们知道,金属具有良好的导热性,是因为金属内自由电子运动过程中可以不断跟其它电子或金属离子碰撞,从而实现能量的传递。

金刚石结构中不存在自由电子,怎么会具有导热性呢?

原来,导热与导电的本质是有所不同的,这是由热的微观本性决定的——热的微观本质是微粒的运动,微观粒子运动速率快,则外在表现为温度高,微观粒子的这种运动可以是自由的、无规则运动,也可以是在晶格上发生的自身振动。

可以想象,金刚石的优良导热性,正是靠晶格上碳原子自身的振动来实现的。

由于金刚石晶格排列的高度有序,加之其振动频率跟热(本质上是一种电磁波)传导要求的频率高度一致,使得碳原子的这种振动在晶体内很容易引发共振,于是金刚石成为导热性最好的固体物质。

(责任编辑:化学自习室)
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