金刚石是世界上最硬的物质,钻石是世界上著名的宝物.(1).金刚石与钻石之间在着镸样的关系:______________.(2)钻石成为世界宝物的原因是什么?

金刚石是世界上最硬的物质,钻石是世界上著名的宝物.(1).金刚石与钻石之间在着镸样的关系:______________.(2)钻石成为世界宝物的原因是什么?
金刚石是世界上最硬的物质,钻石是世界上著名的宝物.
(1).金刚石与钻石之间在着镸样的关系:______________.
(2)钻石成为世界宝物的原因是什么?

金刚石是世界上最硬的物质,钻石是世界上著名的宝物.(1).金刚石与钻石之间在着镸样的关系:______________.(2)钻石成为世界宝物的原因是什么?
原则上,把石墨改造成金刚石所需的压力和温度范围是比较广的,所以用於合成金刚石的高温装置和方法也很多.目前工业用的生产方式是以「高压静态法」最为普遍,所谓静态技术装置,就是所产生的高压是缓慢上升的,升到一定压力值以后,可以稳定保持一段时间.它与「高压爆炸法」又有不同,后者是从升压到降压整个过程,时间非常短促,高压瞬间产生也瞬间消失.还有一个不同之处是：「高压静态法」是在金属催化剂的帮助下,将石墨转化为金刚石,因此温度和压力可以降低许多（即前面所提的熔剂－触媒法）.「金属催化剂」是扮演什麼样的角色呢?它好比是个「建筑工程师」,能帮助把石墨结构修改、重建成金刚石结构.因为金属催化剂在高温高压下是碳的熔剂,也就是能把碳原子间的结合力扯断,把石墨熔解,为碳原子重新结合成金刚石创造有力的条件.因此作为触媒的本身晶体结构,也是非常的重要,它是影响碳原子能否重新结合成金刚石的重要因素之一.而且,金属催化剂还可使高压静态法的压力,降低到5至6万大气压,温度降低到1500℃至2000℃,节省许多的经济成本.
在此,我们忍不住要问,天然金钢石又是如何形成的呢?形成的地质条件又是哪些呢?它是地球内部岩浆中的含碳物质,在地球深处中的高温和高压作用之下所生成的.这就给了我们很好的启示,只要我们模拟天然生成金刚石的高温、高压和生长条件,就可以人工合成出人造的金刚石.那麼合成的压力和温度需要多大呢?地属深度不同,其温度和压力自然也有不同.基本上.地层越深,压力和温度越高.例如,地表至地球中心约有6×106公尺深,在地心里的压力估计大约是3.3×106大气压,温度可达6000℃～7000℃.实验证明,只要我们设计的高温高压装置,能达到地球1000公尺以下的1500℃～2000℃,压力是4～5万大气压,在催化剂的作用下,就能把石墨构造改造成金刚石构造,使得乌漆麻黑的石墨变成灿烂夺目的钻石.
人造金刚石的未来发展动向
随著人们对金刚石性质的认识日益深刻,加上在冶金、地质钻探、机械、光学仪器加工、电子工业和航空技术等方面的广泛应用,使得金刚石不论是在经济建设、生产技术和国防工业上,都扮演著举足轻重的角色.
想要有效地提高人造金刚石的质与量,超高压技术的研究是一个重要因素.从物质结构转化的角度来看,不但要有超高压技术,更需要高温高压设备,所产生的温度压力能够稳定且可被准确测量才行.因为只有在十分高且稳定的压力之下,物质的性质才会产生惊人的变化,新的材料及超硬材料才会出现.正因如此,目前世界各国都十分重视「高压物理」的研究工作.压力已由原先的几万大气压,提升到几百万大气压,甚至可望达到千万大气压.随著超高压技术的发展,将使人造金刚石在晶形、颗粒、产量与质料等方面产生重大突破,且让我们拭目以待.
苏明德任职於清华大学化学研究所
繁体字 ...比较累 不好意思
回答者： admin0524 - 高级魔法师 五级 2006-7-6 16:22
检举 【摘要】人工制造钻石并非天方夜谭,只要掌握科学原理,清水照样也可以变鸡汤.
据报载（民国87年12月12日联合报）：「台北市警局刑警大队侦破利用俗称「摩星宝石」人造钻石的合成碳化矽石充当真钻石,而向当铺典当的诈骗集团.据行家向警方表示,「摩星宝石」是由美国公司研制成功,属於最新型科技,硬度值高达9.5,高於苏联钻（二氧化锆石）的硬度值9.0,只低於真钻石硬度值10.0.它的最大特点是将「摩星宝石」以测试钻石真伪的测钻笔测试,均呈真钻反应.就宝石学而言,它的特性非常接近钻石,色泽亦像钻石,没有仔细检查常会误以为是真钻.」
或许有人会问,到底什麼是「摩星宝石」?它的成分和结构又是什麼?这牵涉到人家的商业机密,我们目前无法探知.但笔者在这里倒是愿意从科学的角度,来介绍人造钻石的制程及其基本特性.
金刚石的物理特性
首先,必须指出钻石（学名为「金刚石」）和宝石不同.自然界中的宝石以氧化铝（Al2O3）为主要成分,同时也含有微量的金属氧化物（如：氧化铬）；金属氧化物可以使宝石具有各种颜色.
反之,金刚石是碳的结晶体,其基本特点是具有规则的几何形状.根据金刚石的晶体型态（图一）可以分为单晶体、连生体和聚晶体.并且还可以进一步细分为六面体、八面体、十二面体等等.原则上,人造金刚石比天然金刚石具有较明晰的晶体及稜角,晶面也较为平整.
由於晶体内所含杂质不同,使得金刚石具有各式各样的颜色：如淡黄、黄绿、暗灰,甚至黑色等.通常晶形完整,透明度高的金刚石品质较好,比重一般是介於每立方公分3.15～3.52克之间.完全无杂质且结晶完整的晶体,其比重最大（即每立方公分3.52克）.一般来说,天然金刚石的比重随著自身的杂质含量而有所不同,也就是随著金刚石颜色不同而异.无色及绿色的金刚石比重较低,青蓝色、玫瑰色其次,澄黄色金刚石的比重最高.而人造金刚石的比重,还会因制作过程的压力、温度的改变,以及保温时间长短的不同,其色泽和比重也不相同.
有的金刚石在紫外线、X射线等的照射下,晶莹夺目.例如在紫外线照射下还会发光,金刚石可发出浅蓝色、橙黄、粉红等各种美丽的光彩.经研究证明,金刚石的发光特性与它的外形无关,而与它的内部构造与晶体结构缺陷有关.因此,我们可以根据金刚石不同的发光特性,来研究和分析金刚石的内部结构、杂质及晶体缺陷.一般而言,天然金刚石的主要杂质元素为氮（最高含量为0.2％）和铝.
金刚石质地较脆且硬,在目前已发现的物质中,金钢石的硬度可说是「冠军」.它在莫氏硬度表中（就是以十种矿物的硬度,从最软到最硬排成十级,做为比较硬度的标准,见表一）,排在最硬的一级,亦即第10级.金刚石的硬度是石墨的1000倍.简单的说,金刚石是地球上最硬的物质（图二）.这或许可从一个小故事里获得证实.八十年前,苏俄沙皇尼古拉斯二世一家人,遭共产党行刑队处决,刽子手一枪又一枪地向皇室女族发射,她们依然在呻吟翻滚,刽子手大惑不解?有些子弹竟然从她们身上反弹到墙上.后来才知,原来她们在紧身胸衣的衬里内塞了八公斤多的钻石.她们的痛苦因为这些钻石而延长了.
也正因为如此,使得金刚石在工业用途上扮演著相当重要的角色.举例来说,因为金刚石的硬度最高,所以它可以刻画其他任何物质.因此,若把金刚石用在采矿的钻头上,可使钻探技术和速度大大地提高.此外,工业上用的各种刀具、光学玻璃与砂轮等,甚至人造假牙,都要籍助金刚石来切割、研磨和加工.金刚石可以说是现代科技工业的生力军.
理想的金刚石是不导电的绝缘体.根据理论计算,理想的金刚石具有1070欧姆公分的电阻率（电阻率是指长1公分,截面积为1平方公分的电阻值,亦是衡量物质导电能力的一个物理量）.可是近年来发现了具有半导体性能的金刚石,此种金刚石含有其他成分的杂质,因而大大降低了它的电阻率,降至1014~1015欧姆公分,所以成了半导体.
金刚石的另一项优点,就是耐热性高－在空气中加热850℃～1000℃左右才会燃烧碳化；即使金刚石在纯氧中,也须加热至720℃～800℃才可以燃烧.半导体广泛使用的锗二极管只耐热300℃,矽二极管可耐热400℃.因此,我们若用半导体金刚石来制作晶体三级极和二极管,可以想见,它的性能绝对比锗、矽晶体来得好,而使用寿命也将大幅提高.化学的强酸和强碱对金刚石也起不了作用.虽是如此,金刚石仍可溶於熔融的硝酸钠、硝酸钾和碳酸钠中.
金刚石还有一个引人注意的特点,那就是它具有很高的导热率.导热率是衡量物质散热性能的一种参考量.导热率越高代表导热越快,散热的性能越好.例如,在室温下,铜的导热率为每公分每秒4瓦,而金刚石的导热率为每公分每秒20～24瓦,是铜的5～6倍.随著温度的升高,在40℃以后,铜的导热性能远远落后於天然钻石和人造钻石.尤其是人造钻石,它的导热性能往往比天然钻石还要优良.这暗示著,金刚石在电子工业中又可大显身手,因为某些零件本身就需要散热强的材料来做.工业上,常用金刚石做为固体微波器材和半导体雷射器材的散热片.此外,人们也用金刚石做为航空工业的温度探测零件.
当快速粒子（如光子或放射性粒子）撞击金刚石时,就会在金刚石的外接电路上,出现脉冲电流,这说明了金刚石具有光导电性.用光照射而使半导体的导电率（导电率＝l／电阻率）增加,这种现象就称做「光导电性」.利用金刚石的这种性质,可应用在导电性晶体计数器上.又因金刚石在放射粒子的照射下,具有发光的特性,所以还可把它应用在闪烁计数器上.可以预期,将这种器件用在原子能的研究上,会比其他晶体性能来得好.因此,科学家将某些金刚石制造成很小的计数器,做为检测放射线能量的探射器,用以检验α、β粒子和γ射线,并广泛用於医学、地球物理和原子能研究工作上.
为什么需要人造金刚石?
由上文我们得知金刚石晶体光怪陆离,美丽夺目,具有多项优点,像是硬度最大、比热低、导热性能强、高温稳定性佳、机械强度大、抗腐蚀性能强和半导体功能等等.
科学家之所以想去制造人工合成的金刚石,理由非常简单,那就是天然金刚石的来源非常有限,而且采勘开采都十分困难.天然金刚石矿藏的含金刚石量甚微,即使是蕴藏丰富的所谓「富矿」,其含量也仅仅是百万分之一到千万分之一.换句话说,要开采处理数吨重的矿石,才能获得1克拉（l克拉＝0.2公克）金刚石.
获得天然金刚石是如此困难,再加上科技发展的进步,对金刚石的需求与日遽增,仅靠开采天然矿所得,实在是难以满足日益增长的需要.於是,人们就想用人工合成的办法,来生产人造金刚石.科学家对人造金刚石的研究,已有百年以上的历史,直至1953年才成功合成出人造金刚石.从此,材料工业里又开辟了另一个新天地.
人造金刚石的由来
自从人造金刚石制造成功之后,人造金刚石工业立刻得到欧美先进国家的高度重视,自1960年代起,人造金刚石产量以每年平均40％的成长率高速发展,估计现在每年人造金刚石产量有几亿克拉之多.那麼人造金刚石是怎麼制造出来的呢?
事实上,或许我们就可以在家中自行制造人工钻石.请准备一些煤当燃料,而普通铅笔所含的石墨就是制造钻石的基本原料（图三）,还要准备一个能密闭的钢桶.一切准备妥当,请把炉子生起火,石墨和炸药放入钢桶内,旋紧桶盖便投入炉子里,然后你可以先去散散步.这时的你,担心房子会炸个稀烂吧?不过,这要看你的运气和钢桶壁的强度,但是请不要这么心急就想看一眼你手制的宝物.钻石结晶是需要时间的.炉火至少要燃烧一段时间,然后就可以打开钢桶的盖子.
制作人造钻石一点也不是天方夜谭.钻石真的可以从煤炭或者石墨制造出来,有什麼根据呢?
早在两百多年前,近代化学奠基者－－法国的拉瓦锡首先提到：金刚石和石墨都是由碳元素组成的一对亲兄弟.可是这两兄弟的个性却完全不同.石墨外表黝黑,质地软得一折即断.相反的,金刚石外表光泽灿烂夺目,且是世界上最硬的物质.为什麼都是同根生,差异却如此大呢?
原因就在於它们自身的结构不一样.在石墨和金刚石中,碳原子的结合方式及排列方式各不相同.在化学世界里,一种元素若拥有几种不同的晶体结构,这种现象就称为「同素异形」,像是磷、氧及硫等等都有这种特性.正因「同素异形」主要是指晶体结构的不同,因而其物理性质或化学性质也会有所不同,比如会具有不同的颜色、密度、硬度、溶解度,以及在化学反应上表现不同的本领等等.碳的「同素异形」体只有两种,即前面所说的石墨和金刚石.
以石墨为例,石墨的结构是成层状排列,像千层蛋糕一样,一层层叠加起来.从图四中我们可以看到,它的每一层又以正六边形连结成平面的网.在平面网上,六边形的每边之长（即每个碳原子间的距离）篇1.42Å（Å称为埃,l埃＝10-10公分）.碳原子和碳原子间的结合力,是靠相互贡献来的电子（共用电子）对所形成的.共用电子对把两个碳原子结合得很牢固,我们把这共用电子对所形成的束缚力称为「共价键」,而各个平行层与层之间的距离为3.35Å.几乎两倍於每平面层中两个碳原子间的距离,正因如此,层与层之间的结合力较弱.而层与层之间的结合力,是由各碳原子提供一个电子在每一平面层上自由移动所形成的,这些运动的电子并没有把碳原子连结得很牢固,容易散开来,故这种结合力又称为「金属键力」.也由於电子可以在层与层之间自由移动,所以石墨可以导电.因此,石墨本身结构的最大特点,就是由牢固的「共价键」（专业术语而言,即σ键）和不牢固的「金属键」（即π键）之双重键型所组成的.如此一来,使得石墨的层与层之间容易滑动,甚至断开,而使石墨的质地变得很柔软.但是,由於同一平面层上的碳原子间结合力很强（共价键之故）,极难破坏,所以石墨的熔点较高,且化学性质也较稳定.
石墨的晶体结构也决定著它的物理特性.对於一个单晶体而言,石墨可看作是一个二维的金属.也就是说,石墨晶体中由於有两种不同的结合力,使得其晶体层的平行方向和垂直方向的导电性及导热性产生了差异,这种现象称之为「各向异性」.根据研究指出,其二个方向性能的数值比约为3～4比l.但由於一般石墨的晶体分布甚为杂乱,因而整体来看,就显不出很大的方向性.
在十六世纪中叶,欧洲的石墨产量颇丰,开采容易,而且有人发现这种矿物能留下很清晰的痕迹,於是便拿来当作书写与绘图的工具.事实上,石墨的英又叫做“graphite”,就是源自於希腊文的「书写」,即“graphein”到了十八世纪中叶,业者经过多次的研发,懂得混合石墨粉与黏土,制造出笔质稳定,但有更多不同硬度以及黑度的一系列铅笔（所以铅笔里并不含铅）.换言之,调整黏土与石墨粉的比例,可以控制笔心的硬度与黑度.黏土的比例越高,笔心越硬；相反的,石墨的比例越高,表示笔心越软.通常是以阿拉伯数字来区分笔心硬度：数字越大,硬度随之递减.或用B来代表黑（black）,而用H来代表硬（hard）； B字母重复越多,就代表笔心越黑；相对的,H字母重复越多,便代表笔心越硬.若是看到铅笔上印有“HB”字样,就表示它是一种「有点黑,又不太黑；有点硬,又不太硬」的铅笔.
金刚石就不一样了.每个金刚石的晶胞（「晶胞.是构成金刚石的最小单位,犹如生物组织的「细胞」）中有四个碳原子,各个碳原子分布在正四面体的四个顶角上（图五）,且碳原子和碳原子间是以牢固的共价键相连接.许许多多这样大小、形状相同的晶胞,有规则地紧密连接在一起,形成如图六结构的重复体.且在金刚石晶体中,每个碳原子与它邻近的四个共价碳原子是等距离的,长度为1.54Å,这和有机化合物中的碳原子间的单键距离相同.这样安排的碳原子具有很高的结合能,因为各碳原子间的距离相等,使得金刚石晶体具有无隙可乘的结构,拥有物质中最高的力学强度,因而形成金刚石晶体坚硬的特性.因为已知石墨的比重是立方公分2.26克,而金刚石的比重则是介於立方公分3.15～3.52克之间,可见碳原子在金刚石里要比在石墨里来得密实许多.从上述介绍中,我们可以清楚了解到,物质的硬度取决於他们原子之间的键结方向和键能强度.
看来问题很清楚,只要把石墨的结构改建成金刚石的结构,人造金刚石的问题就算解决了.从那里改建起呢?从它们结构上的差别来看,必须把石墨里层与层间不牢固的结合力（即金属键力）拉断或变动,并且同时也将六角平面上各碳原子间的结合力（即共价键力）和结合方式来个「大搬家」,使它们之间的结合按照金刚石的形式和要求,有规则地结合在一起,便成为金刚石晶体了.
那麼,用什麼手段来改建石墨的结构,使其成为金刚石呢?目前所知,人工合成金刚石的方法多达十余种.按晶体生长的特性,基本上可归纳为直接法、熔剂－触媒法和外延法三种.所谓「直接法」,顾名思义就是使碳质原料直接从固态转变成金刚石；方法上,可分为「瞬间超高温高压法」及「动态冲击法」.所谓「熔剂－触媒法」,就是利用某些金属及其合金制成催化剂,利用比「直接法」更低的压力,将石墨碳质原料转化为金刚石.而「外延法」,就是先热解石墨,使碳质原料中含有四价的碳原子（专业术语而言,指的是sp3型的碳原子）或基团先分离出来,作为生成金刚石的碳源.
由於金刚石的生长机制颇为复杂,在此只能作简略的定性描述.我们从热力学观点出发：热力学的基本原理告诉我们,在改变一定的压力和温度条件下,许多物质的结构将发生变化.特别是在超高压和超高温的条件下,物质将发生重大变化.例如,在极高压下,能把气态的氢压缩成固态的氢,甚至成为金属氢（成为固体,且具有导电、传热的功能）.高压也可把非导电的绝缘体变成可导电的导体.另一方面,也从动力学出发：石墨碳质原料能否成功地转变成金刚石,还必须取决於「石墨→金刚石」的相变速率.当金刚石的生核率和长大速率,同时处於最大值时,则石墨转变为金刚石的相变速率最大.也就是所谓的活化能最小,反应速率最大.
一般来说,我们大多采用高温高压法,将石墨转变成金刚石.高温的目的,是为了提供必要的热能,使得石墨晶格里的碳原子,做大幅度热振动,进而摆脱束缚,拆散碳原子群.同时利用高压方式,藉著压缩,将这些分散开的碳原子,重新紧密地挤在一起（压缩成如图五所示）,原子间的距离缩短,彼此间的联系也就会愈坚固,就是软的石墨变成硬的金刚石.
原则上,把石墨改造成金刚石所需的压力和温度范围是比较广的,所以用於合成金刚石的高温装置和方法也很多.目前工业用的生产方式是以「高压静态法」最为普遍,所谓静态技术装置,就是所产生的高压是缓慢上升的,升到一定压力值以后,可以稳定保持一段时间.它与「高压爆炸法」又有不同,后者是从升压到降压整个过程,时间非常短促,高压瞬间产生也瞬间消失.还有一个不同之处是：「高压静态法」是在金属催化剂的帮助下,将石墨转化为金刚石,因此温度和压力可以降低许多（即前面所提的熔剂－触媒法）.「金属催化剂」是扮演什麼样的角色呢?它好比是个「建筑工程师」,能帮助把石墨结构修改、重建成金刚石结构.因为金属催化剂在高温高压下是碳的熔剂,也就是能把碳原子间的结合力扯断,把石墨熔解,为碳原子重新结合成金刚石创造有力的条件.因此作为触媒的本身晶体结构,也是非常的重要,它是影响碳原子能否重新结合成金刚石的重要因素之一.而且,金属催化剂还可使高压静态法的压力,降低到5至6万大气压,温度降低到1500℃至2000℃,节省许多的经济成本.
在此,我们忍不住要问,天然金钢石又是如何形成的呢?形成的地质条件又是哪些呢?它是地球内部岩浆中的含碳物质,在地球深处中的高温和高压作用之下所生成的.这就给了我们很好的启示,只要我们模拟天然生成金刚石的高温、高压和生长条件,就可以人工合成出人造的金刚石.那麼合成的压力和温度需要多大呢?地属深度不同,其温度和压力自然也有不同.基本上.地层越深,压力和温度越高.例如,地表至地球中心约有6×106公尺深,在地心里的压力估计大约是3.3×106大气压,温度可达6000℃～7000℃.实验证明,只要我们设计的高温高压装置,能达到地球1000公尺以下的1500℃～2000℃,压力是4～5万大气压,在催化剂的作用下,就能把石墨构造改造成金刚石构造,使得乌漆麻黑的石墨变成灿烂夺目的钻石.
人造金刚石的未来发展动向
随著人们对金刚石性质的认识日益深刻,加上在冶金、地质钻探、机械、光学仪器加工、电子工业和航空技术等方面的广泛应用,使得金刚石不论是在经济建设、生产技术和国防工业上,都扮演著举足轻重的角色.
想要有效地提高人造金刚石的质与量,超高压技术的研究是一个重要因素.从物质结构转化的角度来看,不但要有超高压技术,更需要高温高压设备,所产生的温度压力能够稳定且可被准确测量才行.因为只有在十分高且稳定的压力之下,物质的性质才会产生惊人的变化,新的材料及超硬材料才会出现.正因如此,目前世界各国都十分重视「高压物理」的研究工作.压力已由原先的几万大气压,提升到几百万大气压,甚至可望达到千万大气压.随著超高压技术的发展,将使人造金刚石在晶形、颗粒、产量与质料等方面产生重大突破,且让我们拭目以待.

金刚石和钻石其实是一种东西，都是无色正八面晶体，由四价碳碳键构成，为自然界最硬的物质。只不过钻石是经过技师选料加工过的金刚石，由于需要挑选和切割等加工，钻石产量很少，物以稀为贵，价格自然高。