讲评“四大金刚”

讲评“四大金刚”

“金刚”原指佛教中佛的侍从力士，因守卫时手持金刚杵（古印度的一种兵器）而得名。一提金刚，人们马上联想的是身高马大、虎背熊腰、力大无穷的武士，有一夫当关、万夫莫开之势。物质世界中以金刚冠名的共有4种物质，它们是金刚石、金刚砂、金刚烷和刚玉。这4种物质称得上物质世界中的“四大金刚”吗？它们的称呼名副其实吗？

图5－1　金刚石晶胞

先从四大金刚中的老大——金刚石说起。众所周知，金刚石是碳的晶态单质中的一种变体，是石墨、球碳等碳单质的同素异形体，以矿石的形式存在于自然界中。金刚石熔点高于3550℃，是单质中的熔点最高者，当金属熔点之“最”——金属钨已开始熔化（3407℃）时，金刚石仍“岿然不动”；金刚石又是自然界中最坚硬的物质，在莫氏硬度的10级标度中，金刚石的硬度即为10。正是基于其极高的硬度，人们常将色泽、品位较差的金刚石在工业上用来制做钻头和刀具；金刚石不溶于水和有机溶剂，在室温下对各种化学试剂均呈现惰性。为什么金刚石“刀枪不入，水火不容”呢？追其原因仍在于其微观结构。金刚石属于典型的原子晶体，其晶胞结构如图5—1所示。在金刚石的整个晶体中，每个碳原子都是以正四面体配位的方式与周边4个碳原子形成强度相等的共价键，键能很高，为345．6千焦／摩。正是由于晶体中的碳原子都被共价键“五花大绑”，且无薄弱之处，金刚石就表现出了地地道道的金刚品格。

四金刚中的老二——金刚砂，其化学式为SiC，碳化硅是具有金刚石结构的碳化物，其性质与它的“大哥”也如“手足兄弟”。金刚砂具有高的热稳定性，在隔绝空气条件下高于2700℃时才升华分解；其硬度也接近金刚石，莫氏硬度为9．6；碳化硅抗化学试剂的腐蚀的能力稍显逊色，虽对氢氟酸水溶液及浓硫酸呈惰性，但由浓氢氟酸与硝酸组成的混酸及熔融的烧碱均可将其“分解”。金刚世家的老大和老二的品格如此相似，源于它们的结构相似，将金刚石结构中的一半碳原子均匀地换成硅原子，即构成了金刚砂的结构。这其中每个硅原子与4个碳原子形成共价键，每个碳原子又与4个硅原子形成共价键，仅仅由于硅的原子半径比碳大一些，使碳－硅键能（281千焦／摩）略小一些。因而在四大金刚排坐次时，金刚砂排在“老二”。鉴于老二比老大要存在广泛，价钱便宜，常用作磨蚀材料（如砂轮、油石），也可用作耐火材料。

现在轮到说说老三——金刚烷了。听其名，知其属于有机化合物中的烷烃类，分子中有4个六元环，故属于脂环烷，分子式为C₁₀H₁₆，分子结构中碳原子的位置见图5—2。

图5－2　金刚烷分子中的碳原子

仅由于该分子中碳原子的排列与金刚石类似，才得名金刚烷。金刚烷的晶体类型显然属于分子晶体，将其熔化只需克服比共价键弱数十倍的分子间力，因此只需268℃即可将其熔化；又因分子中有些氢原子有较高的化学活泼性，故将金刚烷归入“金刚世家”应属“误会”。说到有机化合物，素有“塑料王”之称的聚四氟乙烯，倒有一些金刚品格：有最好的耐化学腐蚀和抗老化性能，不要说化工生产中常用的硫酸、烧碱，就是可溶黄金的王水及原子能工业中的强腐蚀剂五氟化铀，也同样拿它无奈。塑料王抗热性强，在－200℃～350℃的温度范围都能正常工作。鉴于氟树脂优异的抗热性、耐蚀性、无毒及便于清洗等优良性能，已广泛用于制造机械零件、厨房用具等，深爱家庭主妇欢迎的不粘锅，就是在金属锅的内表面涂上了一层氟树脂。

最后说说四金刚中的“老幺”——刚玉。刚玉的化学成分为氧化铝（Al₂O₃），是一种难熔且不溶于水的无色或白色晶体，主要有α和γ型两种变体。天然存在的α型氧化铝就是刚玉。其熔点为2015℃，莫氏硬度为8．8，且不溶于酸。所以与其称它为刚玉，不如称它为“金刚玉”，因为它的身上充满了“金刚品格”。人造刚玉常用作高温耐火材料、绝缘材料和制作砂轮等，以刚玉为主体的人造宝石用于钟表、精密仪器的轴承制作，渗入刚玉粉末的新型装饰材料——复合地板因其超常的耐磨性而备受欢迎。氧化铝中，铝为＋3价，氧为－2价，由于Al^3＋的高电价、小半径Al－O间的离子键很强，加之还有40%的共价键成分，这就造就了刚玉的“金刚品格”。与刚玉组成和结构相似的氧化锆、氧化钛，也都在一定程度上表现出“金刚品格”，它们已广泛用于航天技术领域，如飞机发动机、火箭和导弹的喷管、燃烧室、发射台支架及宇宙飞船的多个耐高温部件……从以上所述不难看出，在品种繁多的物质世界，可进入“金刚”系列的物质绝不止前面讲的老大、老二和老幺，而刚玉名称虽然只占了金刚中的一个字，但在物质世界中却是完全称职的“金刚”。