化學(xué)史上讓人啼笑皆非的3 顆鉆石

□文/無錫市南長實(shí)驗(yàn)中學(xué) 耿雁冰

金剛石是目前自然界中已知最堅(jiān)硬的物質(zhì)，人們熟悉的鉆石就是寶石級(jí)金剛石經(jīng)過琢磨后的產(chǎn)物。金剛石在聲、光、電、磁、熱等方面均具有優(yōu)異的性能，被譽(yù)為“材料之王”，是21 世紀(jì)最有潛力的材料之一。

當(dāng)我們學(xué)習(xí)到九年級(jí)化學(xué)教材“金剛石、石墨、C60”這部分內(nèi)容時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，教材中簡單介紹了人造金剛石。其實(shí)，對(duì)我國來說，量產(chǎn)人造金剛石已經(jīng)不是什么難事了。《河南商報(bào)》早在2021 年10 月26 日就報(bào)道，全球95%以上的人造金剛石產(chǎn)自河南。2023 年9 月19 日，慶祝中國人造金剛石誕生60 周年紀(jì)念活動(dòng)在鄭州舉行。據(jù)活動(dòng)發(fā)布的消息，2022 年，鄭州市的人造金剛石產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到23.9 億克拉。

那么，科學(xué)家是怎么想到制造人造金剛石的呢？

為興趣買單的兩顆鉆石

1772 年，被譽(yù)為“近代化學(xué)之父”的拉瓦錫對(duì)鉆石產(chǎn)生了興趣。他花盡積蓄買了一塊鉆石，對(duì)它進(jìn)行研究。他把鉆石放置于高溫中，加熱至火紅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆石竟然燃燒起來，化成一縷青煙消失了，這讓他非常震驚和心痛。花了那么多錢買的鉆石就這樣沒了，能不心痛嗎？

1799 年，法國化學(xué)家摩爾沃同樣用盡積蓄買了一塊鉆石，打算送給他的未婚妻。就在他準(zhǔn)備將鉆石送給至愛之時(shí)，可能是無意中翻到了拉瓦錫寫的關(guān)于鉆石可以燃燒的文獻(xiàn)，他一下子產(chǎn)生了興趣。他想，既然鉆石在空氣中加熱至高溫可以燃燒，那么把鉆石放在真空中加強(qiáng)熱，又會(huì)發(fā)生什么呢？

這一問題在他的腦海里揮之不去，最后他還是決定用這塊花了他全部積蓄的鉆石來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一探究竟。經(jīng)過一番準(zhǔn)備之后，實(shí)驗(yàn)正式開始了。當(dāng)反應(yīng)足夠長時(shí)間之后，摩爾沃打開反應(yīng)裝置，驚訝地發(fā)現(xiàn)鉆石并沒有消失，但是轉(zhuǎn)變成了石墨。

眼睛一眨，鉆石變石墨了，這個(gè)結(jié)果簡直太令人哭笑不得了。這可是半輩子的積蓄呀！這可是送給未婚妻的禮物呀！這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成本實(shí)在是有點(diǎn)兒高。但是，當(dāng)摩爾沃將實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)外界公布之后，整個(gè)歐洲都沸騰了。

“點(diǎn)石成金”的主角是莫瓦桑

既然金剛石在真空中加強(qiáng)熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭敲淳鸵馕吨谝欢l件下，石墨也可以轉(zhuǎn)變成金剛石啊！用一文不值的石墨制取價(jià)值連城的金剛石，這將產(chǎn)生多大的利潤？真的是讓人做夢都會(huì)笑醒啊！

眾多科學(xué)家立刻投身這場“點(diǎn)石成金”的游戲之中，法國化學(xué)家莫瓦桑就是其中一位。

莫瓦桑先設(shè)計(jì)了第一種實(shí)驗(yàn)方案：由于他是氟方面的專家，他想先利用單質(zhì)氟與石墨反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉蓟铮倮靡欢ǖ姆椒ǔシ纯催@樣是否可以得到金剛石。很快，這種實(shí)驗(yàn)方案就被否定了，這種方法根本無法制得金剛石。

之后，莫瓦桑又設(shè)計(jì)了第二種實(shí)驗(yàn)方案：他先用自己發(fā)明的莫氏電爐將鐵熔化化為鐵水，再將石墨投入鐵水之中，然后將摻有碳的鐵水倒進(jìn)冷水里，讓之急速冷卻。他想借助鐵急速冷卻、收縮時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力，迫使碳原子有序排列成金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，然后用酸溶去鐵，就可以得到金剛石了。莫瓦桑對(duì)自己的這個(gè)方案非常有信心，稱之為“完美方案”。

于是，莫瓦桑就和助手開始了一次又一次的實(shí)驗(yàn)。他們不斷地失敗，然后不斷地改變條件去重做。莫瓦桑身上那種近乎偏執(zhí)的性格支撐著這一遍又一遍的實(shí)驗(yàn)。

1893 年的一天，莫瓦桑與助手又一次完成了早已重復(fù)多遍的實(shí)驗(yàn)，此時(shí)的他們?cè)缫咽チ藙傞_始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)那種激動(dòng)焦灼的心情，他們的內(nèi)心波瀾不驚，因?yàn)檫@次的實(shí)驗(yàn)看上去和以往也沒有什么太大的不同。可就在他們小心翼翼地清理著實(shí)驗(yàn)留下的黑色殘?jiān)鼤r(shí)，眼尖的助手突然發(fā)出了怪叫，原來在這些殘?jiān)杏幸粋€(gè)亮晶晶的東西在閃閃發(fā)光——一顆直徑0.7 毫米的金剛石。

燃燒的鉆石

莫瓦桑流下了激動(dòng)的淚水，多少個(gè)日夜的苦苦思索和等待，在這一刻都變得非同尋常。他立刻將實(shí)驗(yàn)成果匯報(bào)給了法國科學(xué)院。歐洲又一次沸騰了，當(dāng)時(shí)所有的人都相信，在不久的將來，莫瓦桑一定可以成為世界首富，因?yàn)樗莆樟恕包c(diǎn)石成金”的秘密。

令人意想不到的是，莫瓦桑對(duì)金錢并不感興趣，當(dāng)他制成了人造金剛石之后，并沒有大量生產(chǎn)，而是立刻轉(zhuǎn)向了其他的科學(xué)研究。

莫瓦桑不可能制得人造金剛石

1906 年，莫瓦桑憑借自己在科學(xué)領(lǐng)域的多項(xiàng)驚人發(fā)現(xiàn)，成功擊敗當(dāng)時(shí)化學(xué)界的一代宗師——門捷列夫，獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)瑞典皇家科學(xué)院中有10名委員具有投票資格，其中4 人投給了門捷列夫，1 人棄權(quán)，剩下的5 人投給了莫瓦桑。1907 年，門捷列夫去世，與諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)失之交臂。

但是很奇怪，當(dāng)時(shí)公布的莫瓦桑獲獎(jiǎng)原因是“為了表彰他在制備元素氟方面作出的杰出貢獻(xiàn)，表彰他發(fā)明了莫氏電爐”，只字未提人造金剛石的事，盡管莫瓦桑在領(lǐng)獎(jiǎng)致辭時(shí)，一再強(qiáng)調(diào)他合成人造金剛石的創(chuàng)舉。

這是為什么呢？原來，當(dāng)莫瓦桑把實(shí)驗(yàn)成果匯報(bào)給法國科學(xué)院的時(shí)候，由于莫瓦桑是成名已久的科學(xué)家，法國科學(xué)院也就直接向外界宣布莫瓦桑制造出了人造金剛石。法國科學(xué)院犯了一個(gè)錯(cuò)誤，他們沒有進(jìn)行驗(yàn)證。

事實(shí)上，以當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，是無法獲得人造金剛石的。因?yàn)橐圃斐鋈嗽旖饎偸仨氂玫侥軌虍a(chǎn)生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設(shè)備。1946 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國科學(xué)家布里奇曼教授，原因是他發(fā)明了達(dá)到極高壓力的裝置以及他在高壓物理領(lǐng)域內(nèi)的一些重要發(fā)現(xiàn)。至此，制造人造金剛石才具備了可能性。

1955 年，美國科學(xué)家霍爾等人在1 650℃和95 000 個(gè)大氣壓下合成了人造金剛石，并在類似的條件下重復(fù)多次。合成出的物質(zhì)還經(jīng)過了各種物理的、化學(xué)的檢測，確證為金剛石。然而，這已是莫瓦桑宣稱“成功”62 年以后的事了。

為終結(jié)實(shí)驗(yàn)而購買的第三顆鉆石

那么，莫瓦桑的那顆鉆石是怎么回事呢？

當(dāng)年，莫瓦桑宣布制得人造金剛石之后，就轉(zhuǎn)向其他研究了，歐洲的很多科研機(jī)構(gòu)和鉆石經(jīng)銷商在莫瓦桑生前沒辦法得到他們想要的秘密，就在莫瓦桑死后找到了他的遺孀，想購買他的研究手稿。最后，一些商人高價(jià)購得了莫瓦桑的實(shí)驗(yàn)記錄。他們?nèi)绔@至寶，立刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，希望在短時(shí)間內(nèi)制得大量金剛石，然后一夜暴富。

讓人始料未及的是，無論這些人怎么進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就是得不到他們想要的金剛石，實(shí)驗(yàn)沒有一次成功，連一點(diǎn)點(diǎn)金剛石的影子都看不到。這些商人憤怒了，他們感覺被欺騙了，肯定是莫瓦桑的遺孀沒有將真正的手稿賣給他們。于是，這些人找到莫瓦桑的遺孀討要說法，要求她交出真正的實(shí)驗(yàn)方案。莫瓦桑的遺孀也感到非常委屈，她明明就是把手稿原封不動(dòng)地給了那些人，實(shí)驗(yàn)沒有成功怎么能怪她呢？

最后，她被逼得實(shí)在沒有辦法了，只得去找當(dāng)年和莫瓦桑一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的那個(gè)助手，希望他能找出那些人實(shí)驗(yàn)未成功的原因。

令所有人沒有想到的是，莫瓦桑的助手講出了一個(gè)驚天秘密。原來，當(dāng)年在實(shí)驗(yàn)失敗了一次又一次之后，助手就勸莫瓦桑放棄這個(gè)實(shí)驗(yàn)，很可能方案在理論上就是錯(cuò)誤的。但偏執(zhí)的莫瓦桑根本不理睬助手的建議，他堅(jiān)信自己設(shè)計(jì)的第二種方案是“完美方案”，只是催促助手繼續(xù)改變條件，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。助手的耐心在這一遍又一遍的失敗中被消磨殆盡，他覺得這簡直就是浪費(fèi)時(shí)間，而莫瓦桑看上去好像不達(dá)目的是不會(huì)罷手的。就在這痛苦的反復(fù)折磨之后，助手拿出自己的積蓄，買了一顆很小的鉆石。在又一次實(shí)驗(yàn)失敗之后，助手趁莫瓦桑不注意，將他買的那顆小鉆石扔到了反應(yīng)容器之中，然后就有了我們之前所提到的那些故事。

真相大白了，原來莫瓦桑根本沒有制得人造金剛石，這一切都像是上天和他開的一個(gè)玩笑。

莫氏硬度和莫瓦桑無關(guān)

表示物質(zhì)硬度的方法很多，在礦物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)中使用的就是莫氏硬度。但是，這個(gè)“莫氏”與莫瓦桑沒有任何關(guān)系。莫氏硬度是表示礦物相對(duì)刻劃硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)，又稱“摩氏硬度”，由德國礦物學(xué)家摩斯在1822 年首先提出。

天然鉆石和人造鉆石（右），你能分得清嗎 供圖/視覺中國