一、古代對(duì)煤的利用
在三種碳中，煤自古以來(lái)就是重要的燃料。在世界上中國(guó)人用煤最早，有悠久的歷史。從文獻(xiàn)記載和考古發(fā)掘來(lái)看，至遲在漢代就已用煤了。《漢書(shū)·地理志》說(shuō)：“豫章郡出石，可燃為薪。”豫章郡在今江西省南昌附近，這里所說(shuō)的可燃為薪的石頭，其實(shí)就是煤�？梢�(jiàn)這時(shí)煤已用于群眾的日常生活。新中國(guó)成立以后的考古證實(shí)：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(lái)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(guò)的煤餅。文獻(xiàn)上明確記載用煤煉鐵見(jiàn)于北魏地理學(xué)家酈道元的《水經(jīng)注·河上》中說(shuō)“屈茨（今新疆庫(kù)車縣）北二百里有山，夜則火光，晝?nèi)盏珶�，人取此山石炭，冶此山鐵，恒充三十六國(guó)用。”這說(shuō)明至遲在魏晉時(shí)期我國(guó)已用煤煉鐵。用煤煉鐵是冶煉技術(shù)上的重大進(jìn)步，因?yàn)槊罕饶咎康幕鹆?qiáng)而持久，可以得到更高的溫度。歐洲人用煤的歷史比我國(guó)晚得多。在元朝來(lái)我國(guó)工作的意大利人馬可孛羅，回國(guó)后所寫(xiě)的一部《游記》中描寫(xiě)中國(guó)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(jià)錢(qián)比木柴便宜，于是歐洲人把煤當(dāng)作奇聞來(lái)傳頌。他們到18世紀(jì)才開(kāi)始煉焦，比中國(guó)晚了500多年。
二、金剛石和石墨的本來(lái)面目
金剛石是一種天然礦石，常見(jiàn)的是無(wú)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(jià)值的技術(shù)材料。印度自古以來(lái)就以出產(chǎn)金剛石著名，那里的金剛石是從沙里采來(lái)的。后來(lái)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?cè)缫阎溃烤顾鼈兪鞘裁礀|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(lái)有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)。法國(guó)化學(xué)家馬凱爾（Macquer,P.J.1718-1784）和卡德(Cadet,I.C.1731-1799)做過(guò)金剛石在空氣中用高溫使其燃燒的實(shí)驗(yàn)，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(gè)實(shí)驗(yàn)，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(duì)它加熱。金剛石燃燒的結(jié)果表明，無(wú)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(shí)瓶氣體的體積不變，用水時(shí)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(lái)的研究，金剛石只有當(dāng)熔化的巖石在30個(gè)大氣壓下才能結(jié)晶出來(lái)，有時(shí)候生成金剛石的壓力竟高到60000個(gè)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(kāi)采到的1顆當(dāng)時(shí)最大的金剛石，叫做超級(jí)金剛石，重194克。1906年開(kāi)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(guò)2克就很稀罕，價(jià)值也很貴。
年輕的化學(xué)家舍勒，對(duì)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(shí)化學(xué)家還無(wú)法將這兩種東西區(qū)別開(kāi)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，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(gè)術(shù)語(yǔ)，說(shuō)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(shí)他發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行研究過(guò)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(shí)驗(yàn)之后100多年，法國(guó)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(wú)定形碳。1890年法國(guó)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(guò)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(guó)化學(xué)家弗里德?tīng)枺‵riedel,C.1832-1899）向法國(guó)科學(xué)院提出的報(bào)告中，介紹他從美國(guó)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(wú)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(shí)還發(fā)現(xiàn)金剛石礦物中含有鐵。經(jīng)過(guò)這些研究，莫瓦桑產(chǎn)生了這樣的推論：石墨和無(wú)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(lái)。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(shí)會(huì)象水變成冰時(shí)一樣發(fā)生膨脹，在迅速冷卻過(guò)程中，含碳的鐵總是外層金屬先固化，等到內(nèi)部金屬開(kāi)始固化時(shí)，就會(huì)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(bào)告了初步試驗(yàn)的結(jié)果，引起了各方面的轟動(dòng)。第二天各種報(bào)刊都在頭版用大號(hào)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(pán)算著能賺多少錢(qián)。一股人造金剛石的狂熱震撼了世界。百萬(wàn)富翁焦急不安，因?yàn)槿嗽旖饎偸坏┩度肷a(chǎn)，就會(huì)使他們破產(chǎn)。而那些沒(méi)有金剛石的人則夢(mèng)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(shí)際情況有很大的距離。以后雖然改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，摸索出不少新的方法，提高了原料的用量，但是并沒(méi)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(shí)有一顆最大的接近無(wú)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(kù)林南相媲美。庫(kù)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(wàn)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(guó)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(guó)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(wàn)大氣壓和1500℃溫度下，幾天之內(nèi)長(zhǎng)出0．2克左右的寶石級(jí)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(wàn)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(zhǎng)法、氣相固相外延生長(zhǎng)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(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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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