莫瓦桑與人造金剛石

1、.莫瓦桑與人造金剛石法國化學(xué)家享利·莫瓦桑Ferdinand Frederic Henri Moissan， 1852 1907在電鍍制取最活潑的非金屬而又毒性很大的氟，以及創(chuàng)造高溫電爐并熔煉鎢、鈦、鉬，釩等高熔點金屬方面，做出了很大的奉獻(xiàn)，表現(xiàn)了艱辛卓絕的科學(xué)探究精神。成為著名的科學(xué)家。晶瑩透明、硬度第一的金剛石，特別惹人喜歡。經(jīng)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(gòu)成的。直到1704年，英國科學(xué)家牛頓才證明了金剛石具有可燃性。以后又經(jīng)法國科學(xué)家拉瓦錫1792年、英國科學(xué)家騰南脫1797年，用實驗證明了金剛石和石墨是

2、碳的同素異形體，這才弄清楚金剛石是由純潔的碳組成的。1799年，法國化學(xué)家摩爾沃把一顆金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭＿@激發(fā)了人們的逆向思維，能不能把石墨轉(zhuǎn)化成金剛石呢？自此以后，人們對于怎樣把石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，表現(xiàn)了極大的興趣。誰能獲得這致人巨富的“點石成金之術(shù)呢？莫瓦桑利用自己創(chuàng)造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(shù)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(shè)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(chǎn)生的壓力，迫使內(nèi)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

3、，就可拿到金剛石晶體。這個設(shè)想在當(dāng)時看來，既科學(xué)又美妙。促使他和他的助手一次又一次的按這個設(shè)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(dāng)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(fā)光！經(jīng)檢測這顆晶體真是金剛石。人們象贊譽(yù)世界上前5名鉆石一樣，也把這顆金剛石譽(yù)為“攝政王?！叭嗽旖饎偸晒α?！欣喜假設(shè)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(xué)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(fā)現(xiàn)元素同期律，并排布元素周期表，預(yù)言與指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新元素的俄羅斯科學(xué)家門捷列

4、夫。當(dāng)時瑞典科學(xué)院化學(xué)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(quán)。結(jié)果草瓦桑以一票的優(yōu)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奉獻(xiàn)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(yù)的“完成了科學(xué)上的一個勛業(yè)，這個勛業(yè)可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勛業(yè)相媲美。當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給門捷列夫，應(yīng)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！話又得說回來。1906年瑞典諾貝爾基金會宣布，把相當(dāng)

5、于10萬法郎的獎金授給莫瓦桑，是“為了表彰他在制備元素氟方面所做出的出色奉獻(xiàn)，表彰他創(chuàng)造了莫氏電爐，證書上只字未提人造金剛石的事，但莫瓦桑在領(lǐng)獎致答詞時，卻一再強(qiáng)調(diào)他合成人造金剛石的創(chuàng)舉。成功的科學(xué)實驗的第一特征是可重現(xiàn)性。然而，莫瓦?！俺晒Φ娜嗽旖饎偸囼灒瑓s只做了一次，他本人再也沒做第二次，卻浸沉在“成功“的盛名之中由于金剛石具有宏大的商業(yè)利潤和工業(yè)價值，不少的公司、企業(yè)集團(tuán)紛紛組織科學(xué)家重復(fù)莫氏的合成金剛石試驗，希望把科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)消費，但卻沒有一個成功。這就迫使一些人直接登門找莫瓦桑遺孀理解莫氏的試驗情況。經(jīng)查明，那次成功的人造金剛石試驗，是由于莫氏生前的助手對反復(fù)無休止的試驗感到

6、厭煩，但又無法勸阻他不再做了，迫于無奈便悄悄的把實驗室中的一顆天然金剛石混跡到實驗中去，這便是那顆被譽(yù)為“攝政王的真面目了。到頭來，莫瓦桑的人造金剛石，仍然是“希望之星，對這件事，當(dāng)然不能說莫氏有意作偽騙人，但是，莫氏沒有重復(fù)地做出成功的第二次、第三次實驗，卻律津樂道，陶醉于盛名，卻不能不說是科學(xué)家不應(yīng)有的過失。實事求是地說，在那個時代，人造金剛石只能是“希望之星。從根底理論方面來說，對于現(xiàn)今高中化學(xué) 課本上所說明的金剛石的正四面體晶體構(gòu)造，和石墨的層狀構(gòu)造，是19l0l920年間由于開展了X射線衍射技術(shù)后才有所認(rèn)識的。使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，不單純是用外力縮短石墨層與層之間的間隔 ，使六角形碳環(huán)

7、轉(zhuǎn)變?yōu)檎拿骟w晶格。實際上還包含許多復(fù)雜因素。化學(xué)家首要考慮的是熱力學(xué)問題。借助熱力學(xué)可判斷石墨金剛石轉(zhuǎn)變過程中的方向和限度。可知在常溫298K，要實現(xiàn)石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，需13000大氣壓以上。假如升高溫度，如在1200K，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)化呢？熱力學(xué)只能判斷反響進(jìn)展的可能性，要使可能性變?yōu)楝F(xiàn)實性，化學(xué)家還需考慮動力學(xué)問題。如在室溫和40萬個大氣壓下，石墨的轉(zhuǎn)化速度緩慢到難以覺察。因此速度也是一個問題。而增壓是降低反響速度的，高溫自然是進(jìn)步反響速度的。綜合起來看，由熱

8、力學(xué)來看，高溫不利于金剛石的熱力學(xué)穩(wěn)定性，要使金剛石在高溫下仍具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，必須相應(yīng)地高壓。而從動力學(xué)來看，力求高溫才有利于反響速度，高壓反而減速。因此，尋求適宜的轉(zhuǎn)化條件，應(yīng)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(jié)晶形成正四面體晶格。已經(jīng)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，必須提供可以產(chǎn)生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設(shè)備。1946年，諾貝爾獎頒給美國科學(xué)家布里奇曼教授，原因是他創(chuàng)造了到達(dá)極高壓力的裝置，以及在高壓物理領(lǐng)域內(nèi)所作出的一些重要發(fā)現(xiàn)。至此，人造金剛石才具備了可能性。1955年，美國科