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鑽石的演化

生活 更新时间:2025-08-17 06:41:27

鑽戒是一種寓意着愛情的珍貴信物,幾乎現在每一對夫妻都會選擇鑽戒作為求婚戒指。“鑽石恒久遠,一顆永流傳”,真的是這樣的嗎?從本質上說:鑽石即金剛石,和石墨一樣,都是碳的同素異形體,可根據金剛石和石墨的相關熱力學數據(表1),來比較常溫常壓下兩種同素異形體的穩定性。

鑽石的演化(鑽石并非人們想象的那樣)1

鑽石的演化(鑽石并非人們想象的那樣)2

由吉布斯自由能判據,根據表1中的熱力學數據,計算298K時金剛石向石墨轉換的吉布斯自由能。

鑽石的演化(鑽石并非人們想象的那樣)3

故常溫常壓下由金剛石轉換為石墨的反應可以自發進行,但由于在動力學上的限制,所以通常鑽石向石墨的轉變過程十分緩慢。

但在工業生産中,人們關心的往往是在什麼條件下石墨可以轉換為金剛石:

但要使石墨中的層狀碳變成金剛石那樣排列的四面體碳十分困難。十八世紀後期,人們就開始尋找合成的途徑,直至本世紀中葉。1938年學者羅西尼通過熱力學計算,奠定了合成金剛石的理論基礎,算出要使石墨變成金剛石,至少要在15000個大氣壓、攝氏1500度的高溫條件下才可以,到50-60年代建成了能達到上述條件的儀器裝置。直到1955年2月美國通用電氣公司的科學家成功制造了第一顆人造金剛石。他們在2500℃、10萬個大氣壓下,用鉻作催化劑從石墨中獲得一些直徑為0.1毫米~1毫米,小顆粒的金剛石。7年後,他們在5000℃及20萬個大氣壓下,不使用催化劑也直接将石墨變成為金剛石。目前人造金剛石的合成方法都是設産生高溫高壓條件,通常這種方法可以從石墨合成出磨料級金剛石(直徑小于1毫米)。下圖1為石墨與金剛石之間互相轉換的相圖。

由相圖可知,由穩定的石墨完全轉變成穩定的金剛石的相變壓力随着溫度的升高而降低,即在高溫高壓條件下,容易使得石墨轉變為金剛石。由圖中可以看出由石墨完全轉變成穩定金剛石的最低壓力在1.25x104 MPa,其遠遠大于大氣壓,所以在常壓下無法将石墨全部轉換為穩定的金剛石。

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