為什么石墨能制作金剛石?這是2011年佛山市中考化學(xué)試題

【專家解說(shuō)】：剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳(C)，科學(xué)家們稱之為“同質(zhì)多像變體”，也有人稱“同素異形體”。從這種稱呼可以知道它們具有相同的“質(zhì)”，但“形”或“性”卻不同，且有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一。大家都知道鉛筆芯就是用石墨粉和粘土配比而制成的，石墨粉多則軟，用“B“表示，粘土摻多了則硬，用“H”表示。礦物學(xué)家用摩氏硬度來(lái)表示相對(duì)硬度，金剛石為10，而石墨的摩氏硬度只有1。它們的硬度差別那么大，關(guān)鍵在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的差異。 石墨內(nèi)部的碳原子呈層狀排列，一個(gè)碳原子周圍只有3個(gè)碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無(wú)限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內(nèi)三個(gè)碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動(dòng)，這就是石墨很軟能寫字的原因。 金剛石內(nèi)部的碳原子呈“骨架”狀三維空間排列，一個(gè)碳原子周圍有4個(gè)碳原子相連，因此在三維空間形成了一個(gè)骨架狀，這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向聯(lián)系力均勻，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，因此使金剛石具有高硬度的特性。 石墨和金剛石的硬度差別如此之大，但人們還是希望能用人工合成方法來(lái)獲取金剛石，因?yàn)樽匀唤缰惺?碳)藏量是很豐富的。但是要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳，不是那么容易的。十八世紀(jì)后期，人們就開(kāi)始尋找合成的途徑，直至本世紀(jì)中葉。1938年學(xué)者羅西尼通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，奠定了合成金剛石的理論基礎(chǔ)，算出要使石墨變成金剛石，至少要在15000個(gè)大氣壓、攝氏1500度的高溫條件下才可以，到50-60年代建成了能達(dá)到上述條件的儀器裝置。石墨在5-6萬(wàn)大氣壓((5-6)×103MPa)及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。 目前世界上已有十幾個(gè)國(guó)家(包括我國(guó))均合成出了金剛石。但這種金剛石因?yàn)轭w粒很細(xì)，主要用途是做磨料，用于切削和地質(zhì)、石油的鉆井用的鉆頭。當(dāng)前，世界金剛石的消費(fèi)中，80%的人造金剛石主要是用于工業(yè)，它的產(chǎn)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天然金剛石的產(chǎn)量。 最初合成的金剛石顆粒呈黑色，0.5mm大小，重約0.1克拉(用于寶石的金剛石一般最小不能小于0.1克拉)。現(xiàn)在我國(guó)研制的大顆粒金剛石達(dá)3mm以上，美國(guó)、日本等已制成6.1克拉多的金剛石。我們說(shuō)金剛石已從石墨中“飛”出，寶石級(jí)的人造金剛石也會(huì)在不久的將來(lái)供應(yīng)于市場(chǎng)