钻石是怎样炼成的

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  大约3500万年前,天地之间一片苍茫,一颗陨石从天而降,直直地撞向了西伯利亚大地。惊天动地的巨响后,一个直径达100千米的陨石坑——“珀匹盖”陨石坑形成了。千百万年后,西伯利亚大地早已恢复了平静,直到2012年9月17日,英国《每日邮报》的报道才让这个巨大的陨石坑引发了一轮轰动:早在20世纪70年代,“珀匹盖”陨石坑内就被发现存在一个巨大的钻石矿,储量估计有数万亿克拉(1克拉=0.2克)。30多年过去了,这个惊天秘密终于被公诸于世。
  “珀匹盖”陨石坑空中俯瞰图
  “钻石恒久远,一颗永流传。”钻石被称为珠宝之王,它因璀璨的光芒和坚硬的质地闻名于世,稀少的产量导致的高昂身价则让很多人望而却步。
  如果我们撇开钻石那炫目的光芒,单从化学的角度分析它,那么钻石的本质非常单纯。钻石也称金刚石,是一种纯碳结晶体,它的化学性质很稳定,一定条件下能与石墨相互转化。
  在地球这颗“有机”星球上,碳元素的含量不可谓不丰富。且不说碳是煤、石油、沥青等一切有机物中最主要的成分,作为碳单质,石墨的储量也不容小觑。美国地质调查局的资料显示,全球石墨储量约为8600万吨,相比之下,同为碳单质的钻石的储量却少得可怜。这几年石墨的世界年产量大约维持在90多万吨,而钻石的世界年产量则一直保持在1亿克拉(约合0.2万吨)左右。
  为什么在这颗富含碳元素的星球上,却难寻钻石的踪迹呢?因为钻石的形成需要极高的温度和压强。尽管地球上的碳元素含量不少,人为制造高温环境也不算难事,但高压环境却极为稀缺。要找高压环境,我们首先想到了地底深处。计算出石墨向钻石转变所需的压力大小,然后打一口很深的井,把石墨埋在井底,再施以超过2000℃的高温,不就能制造钻石了么?很遗憾,即使在如此高温下,这口井的最浅深度仍为150千米。要知道,地壳的平均厚度才17千米,对一口深达150千米的井来说,井底已经位于岩浆深处了。
  大地帮不上忙,那就问问苍天。碳元素在地表的分布最丰富,给地表施加一个巨大的压力,也能“生产”钻石,这就是“珀匹盖”陨石坑中会存在钻石矿的原因。陨石冲击地面时的巨大冲量在瞬间产生了不可想象的高温与高压,把这块富含碳元素的地表铸成了钻石矿。
  “珀匹盖”陨石坑中存在巨大钻石矿的消息一经公布,在全世界引起了不小的轰动。如果将数万亿克拉的钻石储量平均分配给地球上每一个人,那么每个人都能得到几百克拉。“钻石恒久远,一颗就破产”的调侃会成为历史吗?
  结果恐怕要让大家失望了。要知道,钻石的储量很少,能作为宝石的钻石就更稀少了,因为宝石级钻石对净度、色泽的要求都很高。俄罗斯科学院西伯利亚分院地质与矿物学研究所所长尼古拉·波希林科表示,“珀匹盖”陨石坑中的钻石不适合制作珠宝首饰,但可作为工业钻石用于制造飞机精密部件、耐磨轴承和钻头等。
  练一练
  (1) 从天然金刚石的产生原理中受到启发,美国通用汽车公司在实验室利用高温、高压将石墨转化成了金刚石。日本科学家将炸药和碳粉混合后,用石蜡固化,再装入钢制敞口容器,沉入一个直径9米、深约5米的混凝土水槽内,点火起爆,获得了超细金刚石粉。从平衡移动原理分析,上述两种制取金刚石的方法都能获得成功的原因是
  A. 金刚石比石墨熔点低 B. 金刚石的密度大于石墨
  C. 金刚石硬度很大 D. 合成金刚石是吸热反应
  (2) 已知金刚石是原子晶体,其中每个碳原子都以四个共价键与其他碳原子相连,并形成空间网状结构。下列说法不正确的是
  A. 每12克金刚石中平均含有4 mol共价键
  B. 金刚石难溶于水也难溶于有机溶剂
  C. 在金刚石的空间网状结构中,最小环是六元环
  D. 金刚石的熔点很高、硬度很大
  参考答案
  (1) B、D (提示: 根据平衡移动原理,反应总是向着减弱外界条件改变的方向进行,上述两种制取金刚石的方法的共同之处是都在高温和高压下进行。金刚石的密度大于石墨,压强越大越有利于金刚石的生成;而温度越高越有利于反应向吸热方向进行,故B、D正确)
  (2) A (提示: 金刚石中每个碳原子与周围4个碳原子形成共价键,但每个共价键由两个碳原子共用,故每12克金刚石平均含有2 mol共价键,A错误。金刚石为原子晶体,熔点高、硬度大,很难在溶剂中分解,故其既难溶于水也难溶于有机溶剂,B、D正确。金刚石的空间网状结构中,最小环是6个碳原子形成的六元环,C正确)
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