一、古代對煤的利用
在三種碳中，煤自古以來就是重要的燃料。在世界上中國人用煤最早，有悠久的歷史。從文獻(xiàn)記載和考古發(fā)掘來看，至遲在漢代就已用煤了�！稘h書·地理志》說：“豫章郡出石，可燃為薪�！痹フ驴ぴ诮窠魇∧喜浇�，這里所說的可燃為薪的石頭，其實就是煤。可見這時煤已用于群眾的日常生活。新中國成立以后的考古證實：山東平陵漢初的冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)了煤，河南鞏縣鐵生溝漢代冶鐵遺址發(fā)現(xiàn)了煤塊、煤餅和煤渣；1975年河南鄭州古來鎮(zhèn)西漢中晚期至東漢的冶鐵遺址中，再次發(fā)現(xiàn)加工過的煤餅。文獻(xiàn)上明確記載用煤煉鐵見于北魏地理學(xué)家酈道元的《水經(jīng)注·河上》中說“屈茨（今新疆庫車縣）北二百里有山，夜則火光，晝?nèi)盏珶煟巳〈松绞�，冶此山鐵，恒充三十六國用。”這說明至遲在魏晉時期我國已用煤煉鐵。用煤煉鐵是冶煉技術(shù)上的重大進(jìn)步，因為煤比木炭的火力強(qiáng)而持久，可以得到更高的溫度。歐洲人用煤的歷史比我國晚得多。在元朝來我國工作的意大利人馬可孛羅，回國后所寫的一部《游記》中描寫中國有一塊黑石頭，象木柴一樣能夠燃燒，火力比木柴強(qiáng)，從晚上燃到第二天早上還不熄滅。價錢比木柴便宜，于是歐洲人把煤當(dāng)作奇聞來傳頌。他們到18世紀(jì)才開始煉焦，比中國晚了500多年。
二、金剛石和石墨的本來面目
金剛石是一種天然礦石，常見的是無色的或略帶顏色的晶體，也有極少是黑色。由于金剛石的硬度極大，反光性強(qiáng)，是很貴重的寶石，也是極有價值的技術(shù)材料。印度自古以來就以出產(chǎn)金剛石著名，那里的金剛石是從沙里采來的。后來巴西、非洲和蘇聯(lián)也先后發(fā)現(xiàn)金剛石沙地。石墨也是一種天然礦石，柔軟、滑膩，輕輕摩擦能留下痕跡，顏色從黑到鋼灰色。西北利亞有著名的石墨礦床，葉尼塞河流域也有豐富的石墨礦層。雖然這種礦石人們早已知道，究竟它們是什么東西構(gòu)成的，到18世紀(jì)后期才搞清楚。
世界著名的物理學(xué)家牛頓（Newton,I.1642-1727），曾懷疑金剛石是一種可燃物質(zhì)，后來有人做過實驗。法國化學(xué)家馬凱爾（Macquer,P.J.1718-1784）和卡德(Cadet,I.C.1731-1799)做過金剛石在空氣中用高溫使其燃燒的實驗，但仍不明白燃燒的真象，只感到它的燃燒是很驚奇的。1772年化學(xué)家拉瓦錫同他們聯(lián)合重做這個實驗，證明金剛石如不跟空氣接觸，雖然加強(qiáng)熱也不能使它燃燒。拉瓦錫決心研究金剛石燃燒后究竟變成了什么東西。他用玻璃瓶倒立在水上或汞上，瓶上裝滿空氣或氧氣，再把金剛石放在瓶中的支架上，用大聚光鏡對它加熱。金剛石燃燒的結(jié)果表明，無論在水上或汞上，燃燒后生成的氣體都能使石灰水產(chǎn)生白色沉淀，但用汞時瓶氣體的體積不變，用水時氣體體積有所減小。于是得知所生成的氣體是二氧化碳，金剛石是碳素的一種結(jié)晶體，據(jù)后來的研究，金剛石只有當(dāng)熔化的巖石在30個大氣壓下才能結(jié)晶出來，有時候生成金剛石的壓力竟高到60000個大氣壓。這樣大的壓力只能在地下面60－1000公里的深處存在。巖石要從這樣深的地方冒出地面的可能性是很少的，所以金剛石在自然界里非常稀少。在很早以前，開采到的1顆當(dāng)時最大的金剛石，叫做超級金剛石，重194克。1906年開采出的更大的1顆金剛石，叫做非洲之星，重605克。通常的金剛石超過2克就很稀罕，價值也很貴。
年輕的化學(xué)家舍勒，對兩種物質(zhì)都感興趣：一種是軟錳礦（即二氧化錳），一種是石墨。那時化學(xué)家還無法將這兩種東西區(qū)別開，就籠統(tǒng)地把它們都叫做黑苦土。舍勒用軟錳礦同鹽酸作用，制得了氧氣。在1779年，使石黑燃燒，根據(jù)實驗結(jié)果證實，石黑也是由碳組成的。由于石墨同金剛石的晶形不同，雖然它們都是碳，卻具有許多不同的性質(zhì)。直到1841年化學(xué)家貝采里烏斯才提出同素異形體這個術(shù)語，說明同一種元素能夠以各種不同的單質(zhì)形式存在的現(xiàn)象。當(dāng)時他發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行研究過的同素異形體，除碳以外還有硫和磷。
三、人造金剛石的誕生
1773年拉瓦錫將金剛石放在氧氣中燃燒的實驗之后100多年，法國化學(xué)家莫瓦桑（Moissan,H. 1852-1907）想利用氟代輕分解反應(yīng)以制取金剛石，結(jié)果得到的是無定形碳。1890年法國化學(xué)家多布里（Daubree,G.A.1814-1896），研究含金剛石的隕石和地殼形成過程，指出金剛石必須在高溫高壓下形成，而且從金剛石的性質(zhì)考慮，它們可能是在液體中形成的，或者至少是在柔韌的環(huán)境下形成的。1892年，法國化學(xué)家弗里德爾（Friedel,C.1832-1899）向法國科學(xué)院提出的報告中，介紹他從美國亞利桑那洲發(fā)現(xiàn)的隕石中找到了許多微細(xì)的金剛石。于是莫瓦桑又研究隕石和隕鐵，發(fā)現(xiàn)其中除含有金剛石以外，還含有石墨和無定形碳。
他還研究了南非和巴西含有金剛石的巖石，也發(fā)現(xiàn)了石墨，同時還發(fā)現(xiàn)金剛石礦物中含有鐵。經(jīng)過這些研究，莫瓦桑產(chǎn)生了這樣的推論：石墨和無定形碳可以作為人造金剛石的原料；金剛石是在含鐵的環(huán)境下形成的，它可能從含碳的鐵中結(jié)晶出來。于是他采用這樣的方法：在電爐中將石墨坩堝里的金屬鐵加熱，使它熔化，而且使熔化的鐵為碳所飽和。然后把熔化的鐵傾之冷水中，含碳的鐵在固化時會象水變成冰時一樣發(fā)生膨脹，在迅速冷卻過程中，含碳的鐵總是外層金屬先固化，等到內(nèi)部金屬開始固化時，就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生高壓。在這種條件下，一部分碳就結(jié)晶成黑色的金剛石。然后用不同的酸處理固化的鐵塊，除了金剛石以外，其它的物質(zhì)都被溶解，最后只留下黑色的金剛石。1893年2月6日，莫瓦桑向科學(xué)院報告了初步試驗的結(jié)果，引起了各方面的轟動。第二天各種報刊都在頭版用大號字體登出了莫瓦桑的名字。一進(jìn)有人作了各種預(yù)言，有的人則盤算著能賺多少錢。一股人造金剛石的狂熱震撼了世界。百萬富翁焦急不安，因為人造金剛石一旦投入生產(chǎn)，就會使他們破產(chǎn)。而那些沒有金剛石的人則夢想自己也能很快地制造出各式各樣的金剛石。然而，這一切都跟實際情況有很大的距離。以后雖然改進(jìn)了實驗設(shè)備，摸索出不少新的方法，提高了原料的用量，但是并沒有得到令人滿意的結(jié)果。人造金剛石不僅顆粒小，而且色澤深暗。那時有一顆最大的接近無色的小晶體，其直徑還不足一毫米�？墒侨藗儏s把它作為最貴重的珍寶收藏在羅浮宮里，并命名為“攝政王”，使它跟宮里的那顆世界上最大的金剛石──庫林南相媲美。庫林南是1905年在南非發(fā)現(xiàn)的，重621.2克，體積為10×5×6立方厘米。
直到1955年，化學(xué)家本迪（Bundy,F.P.）等用鎳等金屬為催化劑，使用2000℃和7萬大氣壓下的設(shè)備，使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的試制成功。美國電氣公司于1957年、瑞典通用電氣公司于1962年投入工業(yè)生產(chǎn)。此后，美國通用電氣公司應(yīng)用晶種的觸媒法，以金剛石粉為碳源溶解于熔融金屬鐵鎳之中，借助反應(yīng)室中適當(dāng)?shù)臏囟忍荻�，把碳輸送到高壓釜反�?yīng)室中溫度較低處的金剛石晶種上，并在晶種上沉積出晶層。這種方法在大約6萬大氣壓和1500℃溫度下，幾天之內(nèi)長出0．2克左右的寶石級優(yōu)質(zhì)人造金剛石。在70年代，有采用爆炸法生產(chǎn)金剛石。這種方法是利用ＴＮＴ和黑索金等炸藥引爆后產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和在幾微秒的瞬間產(chǎn)生的幾十萬大氣壓及高溫使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。此外還有氣相法、液向外延生長法、氣相固相外延生長法、常壓高溫生產(chǎn)金剛石的。由于天然金剛石不能滿足工礦業(yè)的需要，人造金剛石的世界年產(chǎn)量逐年都在增長。據(jù)統(tǒng)計，1967年為2.4噸，1968年為4.4噸，1969年已達(dá)到6.0噸。
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