2025年高考莫瓦桑與人造金剛石

　　法國化學家享利·莫瓦桑〔FerdinandFredericHenriMoissan，1852－1907）在電鍍制取最活潑的非金屬而又毒性很大的氟，以及發明高溫電爐并熔煉鎢、鈦、鉬，釩等高熔點金屬方面，做出了很大的貢獻，表現了艱苦卓絕的科學探索精神。成為著名的科學家。

　　晶瑩透明、硬度第一的金剛石，特別惹人喜愛。經工匠琢磨成鉆石，更是世間奇珍異寶，人類雖然在五千年前就從自然界獲取了金剛石，但一直不知道它是由什么元素構成的。直到1704年，英國科學家牛頓才證明了金剛石具有可燃性。以后又經法國科學家拉瓦錫（1792年）、英國科學家騰南脫（1797年），用實驗證明了金剛石和石墨是碳的同素異形體，這才弄清楚金剛石是由純凈的碳組成的。1799年，法國化學家摩爾沃把一顆金剛石轉變為石墨。這激發了人們的逆向思維，能不能把石墨轉化成金剛石呢？自此以后，人們對于怎樣把石墨轉化為金剛石，表現了極大的興趣。

　　莫瓦桑利用自己發明的高溫電爐制取了碳化硅和碳化鈣，這促使他向極富誘惑力的“點石成金”術躍躍一試，他先試驗制取氟碳化合物，再除去氟制取金剛石。沒有成功，后來他設想利用他的高溫電爐，把鐵化成鐵水，再把碳投入熔融的鐵水中，然后把滲有碳的熔融鐵倒人冷水中，借助鐵的急劇冷卻收縮時所產生的壓力，迫使內中的碳原子能有序地排列成正四面體的大晶體。最后用稀酸溶去鐵，就可拿到金剛石晶體。這個設想在當時看來，既科學又美妙。促使他和他的助手一次又一次的按這個構想方案做試驗。1893年2月6日，他終于看到了他夢寐以求的“希望之星”。當他和助手用酸溶去鐵后，在石墨殘留物中，竟有一顆0.7mm的晶體閃閃發光！經檢測這顆晶體真是金剛石。人們象贊譽世界上前5名鉆石一樣，也把這顆金剛石譽為“攝政王”。

　　“人造金剛石成功了！”欣喜若狂的莫瓦桑一再向報界宣傳他的重大科研成果。這使本來因研制氟和高溫電爐而著名的莫瓦桑，更加名噪一時。

　　1906年評選諾貝爾化學獎時，極富盛名的莫瓦桑成了候選人。而另一個候選人便是以發現元素同期律，并排布元素周期表，預言與指導發現新元素的俄羅斯科學家門捷列夫。當時瑞典科學院化學分部投票表決時，10名委員中有5名投莫瓦桑的票，4票贊成門捷列夫，l票棄權。結果草瓦桑以一票的優勢而獲獎。雖然，莫氏確有重大科研成果，但是，相對于做出時代里程碑式貢獻的門捷列夫來說，一為個別的，一為全局性的；一為重大成果，一為恩格斯所贊譽的“完成了科學上的一個勛業，這個勛業可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勛業相媲美。”當年的諾貝爾化學獎頒發給門捷列夫，應是歷史的必然!可是卻給予了名噪歐洲的莫瓦桑。1907年門捷列夫和莫瓦桑都相繼逝世了。可是門捷列夫卻失掉了再被評選的可能，這不能不說諾貝爾頒獎歷史上的一大遺憾！
　　從基礎理論方面來說，對于現今高中化學課本上所闡明的金剛石的正四面體晶體結構，和石墨的層狀結構，是19l0～l920年間由于發展了X射線衍射技術后才有所認識的。使石墨轉變為金剛石，不單純是用外力縮短石墨層與層之間的距離，使六角形碳環轉變為正四面體晶格。實際上還包含許多復雜因素。化學家首要考慮的是熱力學問題。借助熱力學可判斷石墨－金剛石轉變過程中的方向和限度。可知在常溫298K，要實現石墨轉化為金剛石，需13000大氣壓以上。如果升高溫度，如在1200K，要實現轉化，需40000大氣壓以上。于是可知莫瓦桑的試驗，雖然提供了高溫，而用鐵水急劇冷卻收縮所獲得的壓力，頂多只有幾千個大氣壓，怎么可能實現轉化呢？

　　熱力學只能判斷反應進行的可能性，要使可能性變為現實性，化學家還需考慮動力學問題。如在室溫和40萬個大氣壓下，石墨的轉化速度緩慢到難以察覺。因此速度也是一個問題。而增壓是降低反應速度的，高溫自然是提高反應速度的。

　　綜合起來看，由熱力學來看，高溫不利于金剛石的熱力學穩定性，要使金剛石在高溫下仍具有熱力學穩定性，必須相應地高壓。而從動力學來看，力求高溫才有利于反應速度，高壓反而減速。因此，尋求適宜的轉化條件，應是兼顧二者，使高溫與高壓匹配。此外還需特定的溶劑，使石墨晶格中的碳原子先溶解，然后在變更外界條件下，再使碳原子從溶劑中析出結晶形成正四面體晶格。已經知道硫化亞鐵、鐵以及一些過渡金屬可做溶劑。

　　從實驗條件方面來說，必須提供能夠產生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設備。1946年，諾貝爾獎頒給美國科學家布里奇曼教授，原因是他發明了達到極高壓力的裝置，以及在高壓物理領域內所作出的一些重要發現。至此，人造金剛石才具備了可能性。

　　1955年，美國科學家霍爾等在1650℃和95000個大氣壓下，合成了金剛石。并在類似的條件下重復多次亦獲成功，產品經各種物理的、化學的檢測，確證為金剛石。這是人類歷史上第一次合成人造金剛石成功，然而，這已是莫瓦桑宣稱“成功”的62年以后，莫氏逝世近半個世紀以后的事了。

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