金剛石
世界上最著名的金剛石產(chǎn)地在南部非洲。這個(gè)地區(qū)的金剛石常常存在死火山的噴井中。人們認(rèn)為它們是在極高的溫度和壓強(qiáng)下慢慢地形成的。開(kāi)采出來(lái)的金剛石并沒(méi)有寶石的外形和光彩,通過(guò)切割和磨光等工藝才給它們以光耀的外形。 世界最大鉆石——庫(kù)里南一號(hào)。1905年,南非的總理礦區(qū),發(fā)現(xiàn)了一塊重3106克拉(計(jì)算鉆石大小重量的單位,1 克拉=0.2克)的鉆石原石,這一發(fā)現(xiàn)震驚世界,于是把此鉆石以礦主之名——托馬斯·庫(kù)里南爵士命名。當(dāng)時(shí)南非尚為英國(guó)殖民地,人們決定將此鉆石運(yùn)回英國(guó),朝貢英王愛(ài)德華七世。為安全起見(jiàn),保了75萬(wàn)英鎊的保險(xiǎn)。但實(shí)際保的是一只空盒,而真正的鉆石卻用另外一只紙盒,只用普通掛號(hào)就寄回英國(guó)了。 這顆3106克拉的鉆石運(yùn)回英國(guó)后,皇家請(qǐng)了當(dāng)時(shí)最負(fù)盛名的荷蘭切割師安斯切爾兄弟,經(jīng)過(guò)多月的揣摩研究,終于決定如何切割這顆鉆石。定奪之后,將此鉆石運(yùn)到荷蘭去切,英王派軍艦護(hù)航,仍用了“金蟬脫殼”之計(jì),軍艦所護(hù)的只是空柜,而真正的鉆石,卻被安斯切爾放在褲袋內(nèi),坐普通火車(chē)和渡輪,安全到了荷蘭工廠。當(dāng)安斯切爾凝神屏住呼吸,正要一錘敲下去把鉆石切開(kāi)時(shí),因緊張過(guò)度,當(dāng)場(chǎng)暈倒,最后經(jīng)多次努力終于成功,兩兄弟把它切成9顆大鉆石和96顆較小的鉆石。這9顆大鉆石中,最大的一顆被切成梨形,重530克拉,鑲在英王權(quán)杖上,取名為“庫(kù)里南一號(hào)”,并被稱為“非洲之星”。 人造金剛石與天然金剛石在化學(xué)上是完全等同的,但它們是在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)出來(lái)的。它們是在對(duì)石墨以及作為溶劑和催化劑的金屬施以極高的壓強(qiáng)(5500大氣壓)和高溫(2000℃)約一天的時(shí)間后制得的。
金剛石是最硬的物料。它是碳的最密集的形式,密度大約是水的3.5倍。它的硬度(抗磨性)和密度都可以用它的結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。注意,每個(gè)碳原子都與其它的四個(gè)最靠近的近鄰形成四面體的取向,這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)能使晶體在三維空間中有很高的強(qiáng)度。這種剛性結(jié)構(gòu)給金剛石以硬度。由于原子之間的小距離而造成的緊密性給金剛石以極高的密度。金剛石的共價(jià)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是它具有極高熔點(diǎn)的原因。由于所有的價(jià)電子都被用來(lái)形成了共價(jià)鍵,因而沒(méi)有一個(gè)可以自由移動(dòng)。這解釋了金剛石為什么是電的非導(dǎo)體。由于它極高的硬度,金剛石被用于切割、鉆孔和研磨。金剛石常被用來(lái)作為經(jīng)久耐用的唱機(jī)針頭。 金剛石是最好的熱導(dǎo)體。完整的金剛石單晶的導(dǎo)熱性是銀和銅的導(dǎo)熱性的5倍(銀和銅是最好的金屬導(dǎo)體)。在金剛石中,熱是通過(guò)振動(dòng)的能量從一個(gè)碳原子到第二個(gè)碳原子的傳遞進(jìn)行傳導(dǎo)的。在完整的金剛石單晶中,進(jìn)行這個(gè)過(guò)程的效率很高。碳原子的質(zhì)量很小,把原子束縛在一起的力很強(qiáng),因此能夠容易地把振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)從一個(gè)原子傳給另一個(gè)原子。它的不導(dǎo)電性結(jié)合著它的優(yōu)良的導(dǎo)熱性使金剛石在半導(dǎo)體裝置方面很有用。
金剛石在普通溶劑中是不溶解的。在1722年,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫在純氧中燃燒了一塊透明的金剛石,得到了產(chǎn)物二氧化碳。這個(gè)實(shí)驗(yàn)向他證明金剛石中含有碳。英國(guó)化學(xué)家史密森·坦納物特在1797年重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn),他稱了金剛石和生成的二氧化碳的質(zhì)量,從二氧化碳的質(zhì)量表明,金剛石是純凈的碳。
金剛石晶瑩美麗,光彩奪目,是自然界最硬的礦石。在所有物質(zhì)中,它的硬度最大。測(cè)定物質(zhì)硬度的刻劃法規(guī)定,以金剛石的硬度為10來(lái)度量其它物質(zhì)的硬度(詳細(xì)見(jiàn)附表)。例如Cr的硬度為9,F(xiàn)e為4.5,Pb為1.5,鈉為0.4等。在所有單質(zhì)中,金剛石的熔點(diǎn)最高,達(dá)3823K。
金剛石晶體屬立方晶系,是典型的原子晶體,每個(gè)碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵,構(gòu)成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結(jié)構(gòu)。 由于金剛石晶體中碳碳鍵很強(qiáng),所有價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成。晶體中沒(méi)有自由移動(dòng)電子,所以金剛石不僅硬度大,熔點(diǎn)高,而且不導(dǎo)電。
常溫下,金剛石對(duì)所有的化學(xué)試劑都顯惰性,但在空氣中加熱到1100K左右時(shí)能燃燒成二氧化碳。
金剛石俗稱鉆石,除用作裝飾品外,主要用于制造鉆探用的鉆頭和制成玻璃刀,它是重要的現(xiàn)代工業(yè)原料,價(jià)格十分昂貴。