学了化学,你要有造钻石的发财梦
今天课堂上给学生演示镁条在CO2中燃烧的实验,忽然想到这个话题。
化学反应可以产生碳的单质,如:
2Mg + CO2点燃 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?
能!
只是,由于CO2中C的结构(sp杂化,呈直线型)跟金刚石中(sp3杂化,四面体型)不同,制金刚石一般不会考虑用CO2做碳源。
目前很成熟的气象沉积法(CVD法)制备金刚石的科学原理是:
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。
事实上,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,曾经宣称他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,也就是说没有被科学界公认。
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。
目前,比较新的合成宝石级大颗粒金刚石的方法还有“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。
岂止金刚石制造?
一个小小的生成O2的反应,可以营造出适合家用的“氧立得”,一个O2放电产生臭氧(O3)反应,可以应用于冰箱自动除臭、不用洗衣粉的洗衣机等商业发明。
中国社会的传统认识对于教育的不良影响之一,表现在“远离商业”“禁谈商事”,似乎拿知识挣钱不是正道一样,所以学生缺少商业思维(当然我也是受此教育出身的学生,也是一样的)。
在商品经济、知识经济时代,这种教育观也许需要有所改变。