化学世界-从最软到最硬物质

著名的法国化学家莫瓦桑应用电镀方法，首次制取了活泼而毒性很大的氟；发明了高温电炉，熔炼了钨、钛、钼、钒等高熔点金属，在世界享有盛誉。19世纪90年代，他开始了另一个梦想“点石成金”——把石墨转化成金刚石。

为了实现梦想，莫瓦桑和他的团队开始了漫长的“炼石之旅”。他试着先制取氟碳化合物，然后除去其中的氟以制取金刚石，但几经试验，都没有成功。怎么办？

经过反复构想，他设计出一个完美的方案，然后一次又一次地按这个方案做试验：利用自己发明的高温电炉，把铁熔融成铁水；然后把炭投入这高温铁水中；再把这铁水倒入冷水中，借助铁的急剧冷却收缩时所产生的压力，迫使其中的碳原子重新排列成大晶体；最后用稀酸溶解掉铁，这样就可得到金刚石晶体了……1893年2月6日，莫瓦桑的“梦想”终于实现了：当他和助手用酸溶去铁后，在石墨残留物中，有一颗0.7毫米的晶体在闪闪发光！

这颗晶体是金刚石吗？

莫瓦桑是世界人造金刚石第一人吗？

1　炭碳有别

石墨与金刚石中的原子排列

在我们生活中，经常会听到“碳”这个字和一些由它组成的词语，但很多人常常把“炭”和“碳”混淆。譬如我们常说的能燃烧的“木炭”，烧完以后剩下的“炭灰”，以及非常重要的能源“煤炭”等，其中的“炭”说的是一种宏观物质。而现在要提到的“碳”，是一种原子量（即相对原子质量，下同）为12的化学元素的名称，元素符号为C，在元素周期表中排在第六位，它是构成上述各种“炭”材料的元素。换句话说，那些生活中的“炭”是“碳”的一种单质，所以它们理所当然属于碳家族的成员。

碳家族的成员当然不止这些燃烧后供人类获取能量的材料，还有很多平时不为燃烧而用的物质（尽管它们在一定条件下也能燃烧），比如朴实无华的石墨（铅笔芯的主要成分），光彩耀人的钻石。

表面上相差很大的这两种东西，居然是同宗同族的兄弟？不要奇怪，这是千真万确的事实，它们都是碳的不同形式的单质。因为钻石价值连城，而石墨却很常见，所以就如开头所述，很早以前，科学家就尝试将石墨转化成钻石。但这个过程非常复杂，直到科技高度发达后才能成功。

金刚石璀璨夺目，是地球上最硬的物质，石墨是最软的矿物之一。为什么同一种元素组成的单质会有如此大相径庭的外貌和性质？这得从物质的组成和结构说起。

我们知道，有的物质是由原子所组成的分子构成的，比如水是由2个氢原子与一个氧原子组成的水分子构成的；有的物质则是直接由原子构成的，比如金就是由金原子按照一定的排列方式构成的。碳家族的单质属于直接由碳原子构成的一类物质。这些碳原子以何种方式排列，以怎样的结构存在，各原子之间的相互位置关系和作用状态如何，就决定了最后所得物质的种类和状态。

2　石墨和金刚石

石墨和金刚石中碳原子的排列都非常有序，不过各有不同。我们知道，碳原子最外层有4个电子，而一般原子只有在最外层有8个电子的时候才是最稳定的，因此，单独的碳原子是不稳定的。一个碳原子必须与最邻近的其他4个碳原子形成共价键，才能达到8电子的稳定状态，也就是说每个碳原子（我们称之为中心碳原子）周围应该有4个最邻近的碳原子。那么，这4个碳原子位于中心碳原子的什么方位呢？

从石墨到金刚石

怎样才能让石墨转化为金刚石呢？使石墨转变为金刚石，不仅仅是用外力缩短石墨层与层之间的距离，使六角形碳环转变为正四面体晶格，实际上还包含许多复杂因素。化学家借助热力学作出判断，在常温条件下实现这个转化，需要的压强为1.3×109帕；如果升高温度，如达到650℃，需要的压强至少为4.0×109帕。从实验条件方面来说，必须有能够产生高压的装置和耐高温、耐高压的设备。1954年，在温度为1650℃、压强为9.5×109帕的条件下，美国GE公司的科学家第一次成功合成了人造金刚石，揭开了人造金刚石工业的新篇章。

在金刚石中，这4个周边碳原子对称分布在中心碳原子的周围，就好像一个正四面体，这是一种高度有序和对称的排列。一般由微粒有序排列起来的固体我们称之为晶体，金刚石就是碳的最完美晶体。金刚石中的碳原子形成共价键时的距离非常近（大约为0.154纳米，和一个碳原子的大小差不多），之间的作用力非常强，这就是我们很难用物理方法将一颗钻石粉碎和瓦解的原因。当然，构成如此完美无瑕的排列结构需要大自然的特殊眷顾，天然钻石非常少，所以极其珍贵。

文章来源：《化学进展》 网址: http://www.hxjzzz.cn/zonghexinwen/2021/1207/1718.html