铝镍合金氢化催化剂 探索物质结构：从古代阴阳八卦到近代化学理论的演进

铝镍合金氢化催化剂 探索物质结构：从古代阴阳八卦到近代化学理论的演进

2. 近代化学理论的创立

——探索物质的结构

世界是由物质构成的，但是物质是由什么构成的呢？

回答这个问题的人是我国商代末期的常希伯（约公元前1140年）。他认为：

“易经有太极，太极生二，四象生四象，八卦生八卦。”阴阳八卦解释

释放出物质的成分。

大约公元前1400年，西方自然哲学提出了物质结构的思想。

泰勒斯认为水是万物之母；赫拉克利特认为万物由火创造；

亚里士多德在《起源与毁灭》一书中，以四种“原始品质”为基础，论述了物质的结构。

自然界最原始的属性是热、冷、干、湿。

于是，便形成了火、气、水、土四种“元素”，进而构成了各种物质。

以上种种争论，都没有触及物质结构的本质。

英国物理学家波义尔最早对元素作出了明确的定义。他指出：“元素是物质的基本组成部分，它们可以和其他元素结合形成化合物。但如果

一旦元素从化合物中分离出来，它就不能再分解成任何更简单的

事物。”

波义尔还认为，化学不应被简单地视为制造金属、药物等的手段。

波义尔被认为是一门科学。

将化学确立为一门科学的人。

人类对物质结构的认识是无穷无尽的。物质是由元素组成的，因此，

元素是由什么组成的？1803年，英国化学家道尔顿创立了原子理论。

这个问题得到进一步的回答。

原子论的主要内容有三：1.一切元素都是由不可分割的物质和分子构成的。

1. 同一元素的原子是由粒子被破坏而形成的，这些粒子叫做原子。2. 同一元素的原子的性质有

不同元素的原子质量相同，但不同元素的原子的性质和质量不同；3.一定数量的两种不同的

当元素结合时，它们会形成化合物。

原子理论成功地解释了许多化学现象。

1811年劳伦斯提出分子理论，进一步补充和发展了道尔顿的原子理论。

他认为许多物质常常不是以原子的形式存在，而是以分子的形式存在。

例如，氧气是由两个氧原子组成的氧分子，但化合物实际上是

从此，化学由宏观走向微观，以原子为基础进行化学研究。

和分子水平。

3. 现代化学的兴起

19世纪末，物理学领域有三大发现：X射线、放射性和电子。

这些新发现对道尔顿原子不可分割的思想提出了严峻挑战，从而开辟了

原子和原子核内部结构的大门，揭示微观世界的更深层的奥秘。

热力学等物理理论引入化学后，化学平衡、反应速率等概念被用来

化学反应的概念可以确定化学反应中物质转变的方向和条件，从而建立物理

化学从理论上把化学提高到了一个新的高度。

化学键（分子中原子之间的键）是在量子力学的基础上发展起来的。

结合力理论使人类进一步认识了分子结构与性能之间的关系，极大地促进了

化学与材料科学的联系为材料科学的发展提供了理论基础。

化学与社会的关系也越来越密切。化学家们用化学的视角去观察和

思考社会问题，运用化学知识分析和解决社会问题，如能源危机、

粮食问题、环境污染等。

化学与其他学科的交叉、渗透，产生了许多边缘学科，例如生物学。

化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等使生物、电

化学也为人类的衣、食、住、行提供了无数的材料，为改善人民生活、增进人类健康做出了应有的贡献。

现代化学的兴起，使化学从无机化学、有机化学发展到

多学科科学开始建立无机化学、有机化学、分析化学、

化学是化学的一个分支，包括物理化学和高分子化学。化学家是“分子建筑师”

我们将用我们灵巧的双手为全人类创造今天的建筑和明天的世界。

2.元素发现和科学方法研究史上的两大奇迹

张文根 陕西省渭南师范学院化学系

在化学发展史上，曾出现过两次个人发现新元素数量的奇迹。

值得研究的是，两次奇迹基本上都采用了类似的科学研究方法。

1. 戴维和新元素的发现

英国化学家H.戴维（1778-1829）出生于一个木雕家庭。

他喜欢化学实验。他曾用自己的身体测试一氧化二氮（笑气）的毒性，发现

他还发明了安全矿灯，

解决了火焰引起瓦斯爆炸的难题，为19世纪欧洲煤矿安全开采做出了重大贡献。

然而他一生最辉煌的成就是发现新元素。

1799年，意大利物理学家A.伏打发现了金属活动顺序，并

伏打电池就是利用它发明的。次年，英国化学家尼科尔森（W.）和

卡莱尔（A.）利用伏打电池成功分解水。从此，电在化学领域得到广泛应用。

该研究中的应用引起了科学家的广泛关注。

1806年，戴维总结了前人对电的研究，并预测这种方法可以

除了将水分解成氢和氧外，还可以分解其他物质。这一科学思想使他

将电与物质组成联系起来导致了一系列新元素的发现。

1777 年以前，人们普遍认为碱金属和碱土金属的化学成分是

它具有元素的性质，不可分解。

氧化理论建立后，人们认为这两类物质都可以是氧化物。

他想用实验来证实拉瓦锡的观点，同时他也想验证自己预测的正确性。

最初，他用饱和的苛性钾或苛性钠溶液进行实验，发现碱没有变化，只与

水电解的结果也是一样的，通过分析，他认为应排除水的干扰因素。

使用熔融的苛性钾，发现阴极铂丝周围出现了更剧烈的火焰，这表明

由于加热温度过高，分解产物立即燃烧，后来他改用碳酸钾。

强电流通过阴极，但阴极上的金属颗粒很快就被烧掉了。

他们吸取教训后，在密封的坩埚中电解熔融的苛性钾，最终得到了银白色的金属。

这种金属在水中剧烈反应，产生淡紫色的火焰，这显然是金属与水反应时释放出氢气的结果。因此，大卫判断这是一种新金属，并将其命名为

不久之后，他又用苛性钠电解出金属钠。第二年，他用同样的方法发现了镁砂（MgO）、石灰、锶矿（SrCO3）和重晶石（BaCO3）。

新元素镁、钙、锶和钡。

1807年12月，尽管英法之间爆发战争，法国皇帝拿破仑

虽然皇帝授予大卫勋章以表彰他的杰出成就，但大卫并没有因此而感到骄傲。

钾金属被发现后，他受到这种金属能分解水中的氢的启发，认为钾

它还应该能够分解其他物质。因此，1808 年，他将钾与无水硼酸混合，

把它放在铜管里加热，就产生了蓝灰色的非金属硼。就这样，在两年内，戴维发现了

如果我们加上他在 1810 年和 1813 年发现的氯和碘元素，

戴维一生中发现并证实了9种元素，这一成就在他去世前已被52种元素证实。

在发现史上无人能及。

2. 西博格与新元素的合成

美国化学家GT西博格（1912-）的家庭情况与戴维相似。

通过兼职，他完成了高中和大学的学业，并获得了享有盛誉的

他受到著名科学家路易斯的赏识，后来成为路易斯的得力助手和合作者，完成了

他热爱化学和物理，立志在核化学领域做出非凡的成就。

表现。

本世纪初，电子、X射线和放射性的发现打开了原子不可分割的大门。

1929年，美国物理学家劳伦斯（EO）发明了

■ 设计了回旋粒子加速器，提供了一种大大增加轰击粒子动能的方法。

新元素不断被发现和合成，仅1934年至1937年，就发现了200多种人造元素。

到了 1939 年，铀 92 之前只剩下铀 61 和铀 85。

因此，人们不再关心填补元素周期表中的空白；

继铀之后，人们的注意力转向了其他元素的发现和合成。3. 关于钻石的旧知识和新知识

吴国庆

(北京师范大学化学系)

早在1879年人们就发现金刚石燃烧的产物是碳。

1913年，布拉格和他的儿子利用X射线衍射测量了

测定了金刚石的晶体结构，确定了常见的天然金刚石属于立方晶系，其晶胞为

它是一种面心立方结构，每个晶胞中有8个碳原子（一个格点有两个碳原子）。

每个碳原子周围有40个碳原子排列成四面体状，键长为154pm。

陨石中发现的钻石是六角形的。这两种晶体的区别不在于碳

原子的杂化类型为sp3，但不同的排列方式造成晶体的对称性不同。

钻石被人类视为宝石已有 3000 年的历史。经过切割的钻石被称为钻石。钻石密度高（3.51 g·cm-3），是已知最坚硬的物质（Mo

其硬度为10）；对光具有良好的透明度和较高的折射率，经过适当抛光的钻石可以反射更多的

高色散还使钻石具有“光彩”，这是白光被钻石吸收的效果。

钻石的色散值是天然宝石中最高的。

价值的差异可以将钻石与与其十分相似的锆石（）区分开来。

有些是无色的，有些是美丽的蓝色、黄色、棕色、绿色，还有一些是黑色的。

研究表明，纯净的钻石是无色的。它们可以透射各种波长的光。

（包括红外线和紫外线）。这是因为金刚石晶体中的电子从基频到最低频被激发。

激发能量所需的能量为5.4电子伏特，远大于可见光的能量（1.7-3.10

当金刚石中掺杂氮时，能量从5.4下降到2.2左右。

原子含量的增加，由于热运动，使氮能级宽度产生差异，从而产生不同的吸收

波长的可见光呈现黄色（C/N=105:1）和绿色（C/N=103:1）。氮原子继续增加。

所有可见光都会被吸收，从而得到黑色钻石。

当时人们认为钻石的蓝色是由于添加了铝造成的。

电气公司实验室证实，钻石的蓝色是由其中不到百万分之一的硼引起的。

他们发现蓝色钻石具有导电性。这可以通过硼原子

的存在可以使碳的价带电子进入硼（受体）能级，并在价带中留下空穴，从而导致

空穴传导。而铝掺杂则不具备此特性。钻石的颜色也会受到掺杂的影响。

此类钻石的颜色是由于添加了所谓的“色心”（也称为 F 中心）而造成的。

钻石的质量通常以克拉来衡量（1克拉等于

200毫克），超过10克拉的钻石已经非常稀有珍贵。

世界上最大的钻石是1906年开采的“非洲之星”，重3025克拉。

最大的钻石被称为“大蒙古尔”，加工前重达 780 克拉。

人们一直梦想着合成钻石。

创造珍贵钻石的目的是为了人工生产。因为天然钻石太少了。

研究证实，自然界中的碳只有在熔岩受到30000个大气压的高压时才能形成。

有时生产钻石所需的压力高达 60,000

大气压。如此高的压力只有在地下60至100公里的深度才存在。

在如此深处找到的岩石太少了。开采钻石需要巨额投资。

从地表找到钻石的机会极其罕见。

在这些钻石中，只有少数品质足够加工成钻石，大多数都是灰色或黑色的。

它不透明，有些还含有石墨，所以不可能切割出钻石。

人造钻石的首次报道是在 1880 年。第一个声称人造钻石的人是著名的法国人

法国实验化学家莫瓦桑（H. ）根据当时已有的化学知识，预测

未生成的单质氟化学性质极其活泼，若利用其快速捕获碳氢化合物，

如果材料中的氢足够的话，就有可能将剩余的碳转化为钻石。

他们经过长期的努力，克服了重重困难，真的制备出了活性氟，取得了同时代人无法比拟的成果。

他因此和他开创的氟化学获得了诺贝尔奖。然而，当他进行氟和碳氢化合物的反应时，即使在超低温下，也发生了剧烈的爆炸。

灾难性的失败并未动摇莫桑人工制造钻石的信念。

后来他从地球化学家那里得知，自然界中的石墨在高温高压下会转变成金刚石。

条件下，他设计了一个实验来模拟由石墨生成钻石的自然过程。

墨水溶解在铁水中，然后迅速冷却。这样做是为了将液态铁转化为固态。

铁产生的巨大内部压力将石墨转化为钻石。

这很有道理。因此，莫伊桑要求他的学生一遍又一遍地重复这个实验。

用矿物酸溶解该产品，在黑色固体残留物中发现钻石。

“真的”从中发现了透明的“钻石”，其中一颗以法国卢浮宫博物馆命名。

这颗与摄政王同名的著名钻石至今仍在莫桑的实验室里展出。

莫瓦桑曾经两次在报纸上发表文章，宣布他成功培育出钻石。

其崇高威望一时轰动全球，穷人欢呼，富人匍匐。

后来，虽然著名的氟化学家O. Ruff在1915年和1920年

1915年，他声称重复了莫瓦桑的实验并制造出了钻石，但始终未能得出令人信服的结果。

到了20世纪50年代，有人从理论上证明了金刚石在高温高压下能够被氧化。

产生的临界条件从根本上否定了莫瓦桑设计的实验成功的可能性。

据说莫桑的人造钻石是他的学生被迫将其扔进黑色酸洗的

残留物中的天然钻石。也有人报道莫桑只获得了碳化硅或尖晶石

（）。

第一个从理论上计算出合成金刚石热力学条件的人是R。

他说，他的计算是为了建立石墨转变为金刚石的相图。计算的结果是：

温度为横轴，压力为纵轴。您可以在图表上从左下角到右上角画一条线。

从石墨延伸出的近似直线是石墨的稳定区域（对于金刚石来说，热力学区域就是金刚石的稳定区域）。

线上方的区域是金刚石的稳定区（或石墨的亚稳态区）。

温度和压力刚好位于直线之外，这是金刚石和石墨之间的平衡转变点。

例如，在1200-1500K的温度范围内，将石墨转化为金刚石所需的压力为

需要达到4.3×109-5.2×109Pa（个大气压）。

值得指出的是，在教学讨论中我们经常发现人们误解了高温对合成的影响。

需要注意的是，根据上述石墨转化为金刚石的相图，如上图

如上所述，相平衡线的斜率为正。这意味着反应温度越高，所需的压力就越高。

如果我们只考虑温度，结论应该是：（从热力学角度来说）温度越高，

墨水变成钻石的难度越大，墨水变成钻石的难度也就越大，这一点从只考虑温度而不考虑压力的吉布斯方程也可以看出来。

— （△G=△HT△S）公式表明，黑色转化为钻石是吸热的。

反应（△H＞0），熵变△S＜0（∴-T△S＞0），所以温度越高，石墨转化为的量就越多

金刚石的自由能越大，自发倾向越小，不难理解，压力有利于转变。

这是因为石墨的密度比金刚石小，转化是一个体积缩小的过程。

化学反应所需的高温只是为了提高速度。事实上，在高温高压下合成钻石

石墨也需要催化剂，无催化剂时石墨直接转化为金刚石的实验条件是2700℃、13GPa；在Ni-Co-Fe合金中添加少量硫、钛、铝等可

转化温度降低至950℃，压力降低至4GPa。

为什么金属能够催化石墨变成钻石的反应？这是一个有趣的问题。

目前已经提出了两种非常生动的理论，一是金属的表面效应。

理论：金属镍属于面心立方晶体，镍原子二维密排层的法线方向为

立方体晶胞的对角线 13 条在晶体学中称为 (111) 方向，每个镍原子

周围有6个镍原子的二维密堆积层称为（111）面。

该三角形的边长为249pm，与石墨二维表面碳原子所构成的三角形的边长相等。

（246pm）非常接近。当金属镍表面正好是（111）并面向石墨时

在二维平面上，镍原子与碳原子一个接一个地形成化学键（石墨的碳原子

垂直于二维平面的2pz轨道中的单个电子进入镍原子。

这种轨道会将石墨二维平面上的一半碳原子拉向镍的表面。

在此条件下，石墨的层间距由335 pm压缩，碳原子的杂化类型由sp2转变为

铁、钴、镍及其合金的晶体结构相似，因此都是石墨转变。

另一种理论认为石墨中的碳原子可以单独进入

金属原子间的四面体间隙及其原子轨道在金属原子作用下的杂化

在sp3中，碳原子通过扩散与另一个碳原子相遇形成金刚石。

20世纪50年代初，美国和瑞典建立了两个人造钻石研究小组。

1954年、1953年先后合成了金刚石，我国从1961年起也开发了合成金刚石。

起初，合成钻石太小，无法用来制造钻石。

在过去 30 年中，种子投放和

抑制晶体成核速度、加速晶粒长大的技术，高温高压法制取金刚石

20世纪80年代末，第一颗重11克拉的人造钻石诞生。

据说，20世纪90年代，人们已经能够利用高温高压的方法，大量生产出连宝石专家都找不到的宝石。

高品质的合成钻石可用于制造宝石，与天然钻石不同，它将使

昂贵钻石的价值大幅下降，使得钻石首饰非常受欢迎。

通过高温高压合成高粒径、高质量钻石的工艺过程基本保持不变。

可以找到莫桑设计的影子。然而碳（石墨）的温度高达50,000-65,000个大气压。

将液态金属在高压和1500℃高温下压入金属。

钻石的形成有催化作用。通过该技术制成的钻石已进入

市场上常见的钻石，只有通过元素分析技术才能与天然钻石区别开来。

可以检测到溶解在钻石中的极少量的镍（它是石墨转化为钻石的成分）。

钻石中含有镍元素（石头的催化剂），而天然钻石不含镍元素。值得一提的是，正如上文所述，

人们已经知道了黄色、绿色和蓝色钻石美丽色彩的来源。

如果对进入钻石的杂质进行技术有效控制，就有可能获得

稀有珍贵的彩色钻石（尤其是蓝色钻石）确实非常精美。钻石不仅用于切割成宝石。早在罗马时代，人们就使用

钻石被雕刻成印章，这是钻石最早的“工业用途”。事实上，人们

从自然界开采的钻石绝大多数用于工业。

金刚石的工业用途主要是因为它极其坚硬和不磨损的特性。

关于玻璃的常识可以帮助我们理解为什么使用大量钻石来制造钻头。

地质钻探和石油开采、钻井等也让我们很容易理解钻石可以用来切割

水泥，甚至大理石等高档建筑材料。目前，只有金刚石车刀才能切割

金刚石是一种超硬陶瓷，无可替代。金刚石还是一种优质的磨料。金刚石砂轮

用于研磨碳化物，比碳化硅耐用10,000倍。

在加工光学玻璃时可提高生产效率几倍至几十倍。

在石头上钻一个小孔（例如，可以用激光技术来完成），可以用来拉直

直径稳定的金属丝，例如灯泡中使用的钨丝或人造丝等合成纤维

该金刚石拉丝模的使用寿命比硬质合金拉丝模的使用寿命长250倍。

此外，金刚石还被广泛用于制作硬度计压头、表面光洁度测量仪探头、

高压室的压头、唱片机的唱针头等。例如，这些工业用途的金刚石有

进入世界市场的人造钻石价值已超过

需要注意的是，合成工业钻石和合成宝石级钻石是两个不同的类别。

其产品不是单晶而是多晶或多晶，直径小至几微米。

都是有用的，而且大多数都不需要无色透明，更不需要美丽的颜色。

除了镍合金催化技术外，还提到了“爆炸法”。例如，使用TNT或RDX

炸药爆炸产生的强烈冲击波作用于石墨，数十个

数万个大气压可以将石墨变成钻石。一次爆炸可以产生500克拉的钻石。

1公斤炸药可以生产出60克拉的钻石，但用这种方法生产的钻石平均粒径为10微米。

最大尺寸不超过40微米，杂质含量高达20％，适用于制造磨料膏或聚晶金刚石。

石材原料。

近年来，钻石作为一种仅仅因为高硬度而被广泛使用的材料的形象已经开始改变。

材料科学家发现，钻石除了是最坚硬的材料之外，还具有许多其他令人惊讶的特性。

例如，人们发现钻石

作为半导体，其性能远远超过目前占据榜首的硅。这是因为金刚石不

它仅具有优异的半导体性，几乎任何气体杂质都难以进入金刚石的结构。

这使得金刚石的半导体特性特别稳定，金刚石的热导率在室温下是最高的。

这使得由金刚石制成的大功率半导体元件不像硅半导体那样容易受到热导率问题的影响。

据报道，在室温条件下可增加纯单晶金刚石。

金刚石的热导率在1.3°C时约为每厘米21瓦，比铜高5倍。

它可以检测从红外线到X射线的所有波长的辐射（光），因此可以用作广谱光学透镜或

所有这些应用都被认为最好采用金刚石薄膜来实现。

简称金刚石膜。

采用高温高压的方法可以制备金刚石薄膜，但是金刚石薄膜的金刚石结构以及用这种方法制备的金刚石薄膜中不可避免地含有作为反应催化剂的金属杂质。

由此产生的晶体缺陷使金刚石的热导率降低到仅比铜稍好一点。

点，并限制了电影的流畅度；并且不可避免地存在

大量金刚石微晶的生长，这些具有不同取向的微晶有利于金刚石作为工业

但该涂层不利于制作半导体材料。

早在20世纪50年代就有人研究了采用低压法合成金刚石的方法。

18 世纪，苏联的鲍里斯·德亚金和克利夫兰西部保留地的约翰·安格斯

他们宣布，钻石可以在高温下由碳氢化合物蒸汽制成。20 世纪 70 年代，他们宣布

Bu 解决了最终产品中石墨的问题，但没有透露任何细节。到 20 世纪 80 年代初，

日本科学技术振兴机构无机材料研究所的研究人员宣布，他们已经合成了

他们的方法是用

引入氢气和甲烷或其他碳氢化合物（例如乙炔）的混合物，并通过微波或灯丝加热混合物。

混合气体被加热到2200℃，氢气和碳氢化合物分子分解，碳原子沉积在加热室内。

在硅片或其他材料的薄片上形成一层金刚石薄膜。这一过程称为化学气相沉积。

过去五年来，日本和美国开发了几种钻石

薄膜CVD合成法。所有方法中，氢气都是必需的，占混合气体成分的1％。

99%；氢气的存在可以保证碳氢化合物分解产生的碳呈金刚石的三维网络结构。

氢沉积的机制仍是一个谜。

未解之谜。CVD金刚石膜的热导率明显优于高压金刚石膜。

高压金刚石膜的功率为8-12W/deg.cm，是高压金刚石膜的两倍，适用于敏感电子元件。

吸热层。

金刚石薄膜的应用前景十分诱人，例如日本肯伍德公司声称，金刚石薄膜

利用CVD方法在钛或碳化硅基底上沉积，可以大大提高高保真音频的性能。

由此产生的扬声器可以传输传统扬声器所能传输的任何频率的声音。

Hi-Fi 专家认为，这种对可听频率的出色再现是由于

美国人认为，金刚石薄膜的高热导率可以

这使得它成为激光二极管的光纤系统，可在小范围内产生大量热量。

其耐热​​性对于汽车发动机的传感器和电子武器很有价值

钻石薄膜非常适合用于空间应用，例如通信卫星。

导体的信号传递速度是硅薄膜的两倍。

有能力的。

CVD钻石薄膜的未来将在很大程度上取决于降低成本。

高压钻石的价格下跌至每克拉1美元，而CVD生产的钻石更薄且更便宜。

这部电影的价格为100美元。

钻石薄膜的成本会降低吗？

分解氢的成本在$ 1到$ 100之间。

知道。