碳元素的发现和金刚石

碳元素的发现和金刚石

2016-12-02 作者: xuzhiping 浏览: 3954 次

摘要: 碳是自然界分布相当广泛的一种元素,有以游离态存在的金刚石、石墨等,更多的则是碳的化合物,如碳酸盐、二氧化碳、煤炭、石油、天然气等。各种生物体内也存在着大量的含碳有机物,人类认识碳的历史悠久。早在猿人时代,我们的祖先通过使用火便认识了木炭、骨炭等。到了17世纪以...

碳是自然界分布相当广泛的一种元素,有以游离态存在的金刚石、石墨等,更多的则是碳的化合物,如碳酸盐、二氧化碳、煤炭、石油、天然气等。各种生物体内也存在着大量的含碳有机物,人类认识碳的历史悠久。早在猿人时代,我们的祖先通过使用火便认识了木炭、骨炭等。到了17世纪以后,化学家开始对金刚石、石墨的化学成分进行研究,其中最著名的是法国化学家拉瓦锡所做的燃烧金刚石的实验。

拉瓦锡将一小块金刚石放在玻璃钟罩内,然后用一个巨大的凸透镜把日光聚集在金刚石上,加热使其燃烧,结果得到一种无色的气体。他又将该气体收集起来通入澄清的石灰水中,结果生成白色的碳酸钙沉淀。由此他得出结论: 金刚石与木炭具有相同的“基础”(本质)。1789年,拉瓦锡将这种元素命名为Car-bon(C,碳),词根的原意是“木炭”。

金刚石俗称金刚钻或钻石。纯净的金刚石是无色透明的八面体型晶体,含有微量杂质时则呈黄、蓝、绿、橙等诸多颜色,一般以浅色者为上品。金刚石在未经琢磨前虽然也有光泽,但不明显;而一经琢磨,便具有很高的折射率和色散性,在光照下呈现霓虹般七彩,光芒四射,美丽非凡。因此,自古以来人们都把金刚石视为至坚至尊、璀璨生辉的稀世珍宝,并是纯洁和力量的象征。男婚女嫁常常选择钻石戒指为赠品,还有象征权力的“权杖”多用钻石装饰。

在世界上,印度和非洲都是著名的金刚石产地。如安哥拉、刚果、利比里亚、塞拉里昂和南非等国,都是闻名遐迩的金刚石出口国。目前世界上最大的一颗金刚石的名字叫“库利南”,于1905年产自南非,重达3016克拉(carat,1克拉=205毫克)。

1977年12月21日,我国山东临沭县笈山公社常林大队女社员魏振芳,在田间劳动时曾发现了一颗核桃般大小的金刚石。它色质透明,呈淡黄色,重达158.8克拉,被称为“常林钻石”,现珍藏于国库。2006年5月,我国又在山东蒙阴发现一颗重101.47克拉的金刚石。迄今为止,在我国境内已发现4颗百克拉以上的原生金刚石。

金刚石是自然界最坚硬的物质。它的硬度大约是石英的1000倍,硬质合金钢的6倍。所以,金刚石除了用于制作首饰以外,大量地被用于制作工具,如地质钻探用的钻头、加工石材用的锯片、切割玻璃用的划刀以及冶炼难熔金属钨等的模具等,用途十分广泛。

由于天然的金刚石产量有限,远不能满足日益发展的生产需要,因此不少化学家曾试图用人工方法合成金刚石,但是屡遭失败。直到1954年,美国通用电气公司的工程师本迪和霍尔设计制造了一种被称为“贝尔特”的耐高温和高压装置,人工合成金刚石的实验才取得了实质性的进展。

第二年(1955年),他们将石墨(原料)、硫化铁(助熔剂)和一颗金刚石(晶种)装入一根由石墨制成的管内,管外再包以金属钽制的外壳,然后放进“贝尔特”装置,在\(1.01 \times 10)w帕的高压和2500°C的高温下,经过较长时间后成功地合成了金刚石。

人工合成的金刚石质量如何?美国通用电气公司为此提出了三点证明: 一是利用X射线进行分析,证明人造金刚石与天然金刚石的结构完全一致;二是人造金刚石与天然金刚石的硬度完全一样;三是实验可以重复进行,每次都能成功地制得金刚石。

后来,人工合成金刚石的技术不断得到改进,使生产出的金刚石颗粒,从最初粒径不足0.5毫米,逐步提高到6毫米以上。目前许多国家(包括我国在内)均已掌握了这项技术。估计全世界人造金刚石的年产量在1亿克拉以上。由金刚石制成的工具日益普及。

金刚石是一种原子晶体,晶体中的每个碳原子都呈稳固的四面体结构,两个碳原子之间的距离都是15.5nm,键短,结合力强,因此硬度大,熔点高。

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