金 刚石[一]俗称金 刚钻也就是我们常说的钻石.doc

1、 石墨金刚石概 述金 刚 石 1俗 称 “金 刚 钻 ”。 也 就 是 我 们 常 说 的 钻 石 ， 它 是 一 种 由 纯 碳 组 成 的 矿 物 。金 刚 石 是 自 然 界 中 最 坚 硬 的 物 质 ， 因 此 也 就 具 有 了 许 多 重 要 的 工 业 用 途 ， 如 精 细 研 磨材 料 、 高 硬 切 割 工 具 、 各 类 钻 头 、 拉 丝 模 。 金 刚 石 还 被 作 为 很 多 精 密 仪 器 的 部 件 。 金刚 石 有 各 种 颜 色 ， 从 无 色 到 黑 色 都 有 。 它 们 可 以 是 透 明 的 ， 也 可 以 是 半 透 明 或 不 透 明 。多

2、数 金 刚 石 大 多 带 些 黄 色 。 金 刚 石 的 折 射 率 非 常 高 ， 色 散 性 能 也 很 强 ， 这 就 是 金 刚 石为 什 么 会 反 射 出 五 彩 缤 纷 闪 光 的 原 因 。 金 刚 石 在 X 射 线 照 射 下 会 发 出 蓝 绿 色 荧 光 。金 刚 石 仅 产 出 于 金 伯 利 岩 筒 中 。 金 伯 利 岩 是 它 们 的 原 生 地 岩 石 ， 其 他 地 方 的 金 刚 石 都 是 被 河 流 、 冰 川 等 搬 运 过 去 的 。 金 刚 石一 般 为 粒 状 。 如 果 将 金 刚 石 加 热 到 1000 时 ， 它 会 缓 慢 地 变

3、成 石 墨 。 1977 年 山 东省 临 沭 县 岌 山 乡 常 林 的 一 名 村 民 在 地 里 发 现 了 中 国 最 大 的 金 刚 石 （ 约 鸡 蛋 黄 大 小 ， 右图 ） 。 世 界 上 最 大 的 工 业 用 金 刚 石 和 宝 石 级 金 刚 石 均 产 于 南 非 ， 都 超 过 3100 克 拉 （1 克 拉 =200 毫 克 ） 其 中 宝 石 级 金 刚 石 的 尺 寸 为 106.55 厘 米 ， 名 叫 “库 利 南 ”。 上 个世 纪 50 年 代 ， 美 国 以 石 墨 为 原 料 ， 在 高 温 高 压 下 成 功 制 造 出 人 造 金 刚 石 2。

4、现 在 人造 金 刚 石 已 经 广 泛 用 于 生 产 和 生 活 中 ， 只 是 造 出 大 颗 粒 的 金 刚 石 还 很 困 难 。金 刚 石 化 学 式 为 c， 晶 体 形 态 多 呈 八 面 体 、 菱 形 十 二 面 体 、 四 面 体 及 它 们 的 聚 形 ，没 有 杂 质 时 ， 无 色 透 明 ， 与 氧 反 应 时 ， 也 会 生 成 二 氧 化 碳 ， 与 石 墨 同 属 于 碳 的 单 质。 金 刚 石 晶 体 的 键 角 为 10928， 是 一 种 具 有 超 硬 、 耐 磨 、 热 敏 、 传 热 导 、 半 导 体 及透 远 等 优 异 的 物 理 性 能

5、 ， 素 有 “硬 度 之 王 ”和 宝 石 之 王 的 美 称 ， 金 刚 石 的 结 晶 体 的 角 度是 54 度 44 分 8 秒 。 习 惯 上 人 们 常 将 加 工 过 的 称 为 钻 石 ， 而 未 加 工 过 的 称 为 金 刚 石 。在 我 国 ， 金 刚 石 之 名 最 早 见 于 佛 家 经 书 中 。 钻 石 是 自 然 界 中 最 硬 物 质 ， 最 佳 颜 色 为 无色 ， 但 也 有 特 殊 色 ， 如 蓝 色 、 紫 色 、 金 黄 色 等 。 这 些 颜 色 的 钻 石 稀 有 ， 是 钻 石 中 的 珍品 。 印 度 是 历 史 上 最 著 名 的 金 刚

6、 石 出 产 国 ， 现 在 世 界 上 许 多 著 名 的 钻 石 如 “光 明 之 山 ”， “摄 政 王 ”， “奥 尔 洛 夫 ”均 出 自 印 度 。 金 刚 石 的 产 量 十 分 稀 少 ， 通 常 成 品 钻 是 采 矿 量 的十 亿 分 之 一 ， 因 而 价 格 十 分 昂 贵 。 经 过 琢 磨 后 的 钻 石 一 般 有 圆 形 、 长 方 形 、 方 形 、椭 圆 形 、 心 形 、 梨 形 、 榄 尖 形 等 。 世 界 上 最 重 的 钻 石 是 1905 年 产 于 南 非 的 “库 里 南 ”金刚石分子结构 石墨分子结构， 重 3106.3 克 拉 ， 已 被

7、 分 磨 成 9 粒 小 钻 ， 其 中 一 粒 被 称 为 “非 洲 之 星 ”的 库 里 南 1 号的 钻 石 重 量 仍 占 世 界 名 钻 首 位 。 晶 体 结 构 ： 晶 胞 为 面 心 立 方 结 构 ， 每 个 晶 胞 含 有 2 组 8 个 C 原 子 。金 刚 石 的 性 质把 任 何 两 种 不 同 的 矿 物 互 相 刻 划 ， 两 者 中 必 定 会 有 一 种 受 到 损 伤 。 有 一种 矿 物 ， 能 够 划 伤 其 他 一 切 矿 物 ， 却 没 有 一 种 矿 物 能 够 划 伤 它 ， 这 就 是 金 刚石 。金 刚 石 为 什 么 会 有 如 此 大 的

8、 硬 度 呢 ？直 到 18 世 纪 后 半 叶 ， 科 学 家 才 搞 清 楚 了 构 成 金 刚 石 的 “材 料 ”。 如 前 所述 ， 早 在 公 元 1 世 纪 的 文 献 中 就 有 了 关 于 金 刚 石 的 记 载 ， 然 而 ， 在 其 后 的1600 多 年 中 ， 人 们 始 终 不 知 道 金 刚 石 的 成 分 是 什 么 。直 到 18 世 纪 的 70 至 90 年 代 ， 才 有 法 国 化 学 家 拉 瓦 锡 (1743 1794)等 人 进 行 的 在 氧 气 中 燃 烧 金 刚 石 的 实 验 ， 结 果 发 现 得 到 的 是 二 氧 化 碳 气 体 ，

9、即 一 种 由 氧 和 碳 结 合 在 一 起 的 物 质 。 这 里 的 碳 就 来 源 于 金 刚 石 。 终 于 ， 这 些实 验 证 明 了 组 成 金 刚 石 的 材 料 是 碳 。知 道 了 金 刚 石 的 成 分 是 碳 ， 仍 然 不 能 解 释 金 刚 石 为 什 么 有 那 样 大 的 硬 度。 例 如 ， 制 造 铅 笔 芯 的 材 料 是 石 墨 ， 成 分 也 是 碳 ， 然 而 石 墨 却 是 一 种 比 人 的指 甲 还 要 软 的 矿 物 。 金 刚 石 和 石 墨 这 两 种 矿 物 为 什 么 会 如 此 不 同 ？这 个 问 题 ， 是 在 1913 年

10、才 由 英 国 的 物 理 学 家 威 廉 布 拉 格 和 他 的 儿 子做 出 回 答 。 布 拉 格 父 子 用 X 射 线 观 察 金 刚 石 ， 研 究 金 刚 石 晶 体 内 原 子 的 排列 方 式 。 他 们 发 现 ， 在 金 刚 石 晶 体 内 部 ， 每 一 个 碳 原 子 都 与 周 围 的 4 个 碳原 子 紧 密 结 合 ， 形 成 一 种 致 密 的 三 维 结 构 。 这 是 一 种 在 其 他 矿 物 中 都 未 曾 见到 过 的 特 殊 结 构 。 而 且 ， 这 种 致 密 的 结 构 ， 使 得 金 刚 石 的 密 度 为 每 立 方 厘 米约 3.5 克

11、 ， 大 约 是 石 墨 密 度 的 1.5 倍 。 正 是 这 种 致 密 的 结 构 ， 使 得 金 刚 石 具有 最 大 的 硬 度 。 换 句 话 说 ， 金 刚 石 是 碳 原 子 被 挤 压 而 形 成 的 一 种 矿 物 。金 刚 石 和 石 墨 区 别石 墨 和 金 刚 石 都 属 于 碳 单 质 ， 他 们 的 化 学 性 质 完 全 相 同 ， 但 金 刚 石 和 石墨 不 是 同 种 物 质 ， 它 们 是 由 相 同 元 素 构 成 的 同 素 异 型 体 . 所 不 同 的 是 物 理结 构 特 征 。二 者 的 化 学 式 都 是 c 石 墨 原 子 间 构 成 正

12、 六 边 形 是 平 面 结 构 ， 呈 片 状 。 金 刚 石 原 子 间 是 立 体 的 正 四 面 体 结 构 ， 呈 金 字 塔 形 结 构 。石 墨碳 是 一 种 非 金 属 元 素 ， 位 于 元 素 周 期 表 的 第 二 周 期 IVA 族 。 拉 丁 语 为Carbonium， 意 为 “煤 ， 木 炭 ”。 汉 字 “碳 ”字 由 木 炭 的 “炭 ”字 加 石 字 旁 构 成 ，从 “炭 ”字 音 。 石 墨 是 元 素 碳 的 一 种 同 素 异 形 体 1， 每 个 碳 原 子 的 周 边 连 结 著另 外 三 个 碳 原 子 ， 排 列 方 式 呈 蜂 巢 式 的

13、多 个 六 边 形 。 由 于 每 个 碳 原 子 均 会 放出 一 个 电 子 ， 那 些 电 子 能 够 自 由 移 动 ， 因 此 石 墨 属 于 导 电 体 。 石 墨 是 其 中一 种 最 软 的 矿 物 。 它 的 用 途 包 括 制 造 铅 笔 芯 和 润 滑 剂 。碳 是 一 种 很 常 见 的 元 素 ， 它 以 多 种 形 式 广 泛 存 在 于 大 气 和 地 壳 之 中 。 碳单 质 很 早 就 被 人 认 识 和 利 用 ， 碳 的 一 系 列 化 合 物 有 机 物 更 是 生 命 的 根本 。 碳 是 生 铁 、 熟 铁 和 钢 的 成 分 之 一 。 碳 能 在

14、 化 学 上 自 我 结 合 而 形 成 大 量化 合 物 ， 在 生 物 上 和 商 业 上 是 重 要 的 分 子 。 生 物 体 内 大 多 数 分 子 都 含 有 碳 元素 。碳 化 合 物 一 般 从 化 石 燃 料 中 获 得 ， 然 后 再 分 离 并 进 一 步 合 成 出 各 种 生 产生 活 所 需 的 产 品 ， 如 乙 烯 、 塑 料 等 。碳 的 存 在 形 式 是 多 种 多 样 的 ， 有 晶 态 单 质 碳 如 金 刚 石 、 石 墨 ； 有 无 定 形碳 如 煤 ； 有 复 杂 的 有 机 化 合 物 如 动 植 物 等 ； 碳 酸 盐 如 大 理 石 等 。

15、 单 质 碳 的物 理 和 化 学 性 质 取 决 于 它 的 晶 体 结 构 。 高 硬 度 的 金 刚 石 和 柔 软 滑 腻 的 石 墨 晶体 结 构 不 同 ， 各 有 各 的 外 观 、 密 度 、 熔 点 等 。常 温 下 单 质 碳 的 化 学 性 质 比 较 稳 定 ， 不 溶 于 水 、 稀 酸 、 稀 碱 和 有 机 溶 剂； 不 同 高 温 下 与 氧 反 应 ， 生 成 二 氧 化 碳 或 一 氧 化 碳 ； 在 卤 素 中 只 有 氟 能 与 单质 碳 直 接 反 应 ； 在 加 热 下 ， 单 质 碳 较 易 被 酸 氧 化 ； 在 高 温 下 ， 碳 还 能 与

16、许 多金 属 反 应 ， 生 成 金 属 碳 化 物 。 碳 具 有 还 原 性 ， 在 高 温 下 可 以 冶 炼 金 属 。石 墨 是 碳 质 元 素 结 晶 矿 物 ， 它 的 结 晶 格 架 为 六 边 形 层 状 结 构 。 每 一 网 层间 的 距 离 为 3.40 人 ， 同 一 网 层 中 碳 原 子 的 间 距 为 1 42A。 属 六 方 晶 系 ，具 完 整 的 层 状 解 理 。 解 理 面 以 分 子 键 为 主 ， 对 分 子 吸 引 力 较 弱 ， 故 其 天 然 可浮 性 很 好 。 石 墨 与 金 刚 石 、 碳 60、 碳 纳 米 管 等 都 是 碳 元 素

17、 的 单 质 ,它 们 互 为 同 素 异形 体 .石 墨 质 软 ， 黑 灰 色 ； 有 油 腻 感 ， 可 污 染 纸 张 。 硬 度 为 1 2， 沿 垂 直 方向 随 杂 质 的 增 加 其 硬 度 可 增 至 3 5。 比 重 为 1 9 2 3。 比 表 面 积 范 围集 中 在 1-20m2/g， 在 隔 绝 氧 气 条 件 下 ， 其 熔 点 在 3000 以 上 ， 是 最 耐 温的 矿 物 之 一 。 自 然 界 中 纯 净 的 石 墨 是 没 有 的 ， 其 中 往 往 含 有 SiO2、 Al2O3、 FeO、CaO、 P2O5、 CuO 等 杂 质 。 这 些 杂 质

18、 常 以 石 英 、 黄 铁 矿 、 碳 酸 盐 等 矿 物 形式 出 现 。 此 外 ， 还 有 水 、 沥 青 、 CO2、 H2、 CH4、 N2 等 气 体 部 分 。 因 此对 石 墨 的 分 析 ， 除 测 定 固 定 碳 含 量 外 ， 还 必 须 同 时 测 定 挥 发 分 和 灰 分 的 含 量。 石 墨 的 工 艺 特 性 主 要 决 定 于 它 的 结 晶 形 态 。 结 晶 形 态 不 同 的 石 墨 矿 物， 具 有 不 同 的 工 业 价 值 和 用 途 。 工 业 上 ， 根 据 结 晶 形 态 不 同 ， 将 天 然 石 墨 分为 三 类 。 1 致 密 结 晶

19、 状 石 墨 致 密 结 晶 状 石 墨 又 叫 块 状 石 墨 。 此 类 石 墨 结 晶 明 显 晶 体 肉 眼 可 见 。 颗 粒直 径 大 于 0 1 毫 米 ， 比 表 面 积 范 围 集 中 在 0.1-1m2/g， 晶 体 排 列 杂 乱 无 章， 呈 致 密 块 状 构 造 。 这 种 ： 石 墨 的 特 点 是 品 位 很 高 ， 一 般 含 碳 量 为 60 65 ， 有 时 达 80 98 ， 但 其 可 塑 性 和 滑 腻 性 不 如 鳞 片 石 墨 好 .2 鳞 片 石 墨 石 墨 晶 体 呈 鳞 片 状 ； 这 是 在 高 强 度 的 压 力 下 变 质 而 成 的

20、 ， 有 大 鳞 片 和 细鳞 片 之 分 。 此 类 石 墨 矿 石 的 特 点 是 品 位 不 高 ， 一 般 在 2 3 ， 或 100 25 之 间 。 是 自 然 界 中 可 浮 性 最 好 的 矿 石 之 一 ， 经 过 多 磨 多 选 可 得 高 品 位 石 墨精 矿 。 这 类 石 墨 的 可 浮 性 、 润 滑 性 、 可 塑 性 均 比 其 他 类 型 石 墨 优 越 ； 因 此 它的 工 业 价 值 最 大 。 3 隐 晶 质 石 墨 隐 品 质 石 墨 又 称 非 晶 质 石 墨 或 土 状 石 墨 ， 这 种 石 墨 的 晶 体 直 径 一 般小 于 1 微 米 ， 比 表 面 积 范 围 集 中 在 1-5m2/g， 是 微 晶 石 墨 的 集 合 体 ， 只 有在 电 子 显 微 镜 下 才 能 见 到 晶 形 。 此 类 石 墨 的 特 点 是 表 面 呈 土 状 ， 缺 乏 光 泽 ，润 滑 性 也 差 。 品 位 较 高 。 一 般 的 60 80 。 少 数 高 达 90 以 上 。 矿 石 可选 性 较 差 。