從金剛石到石墨： 同素異形現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)

宋 偉 杜潔麗 凌一洲

摘要： 金剛石和石墨是同素異形現(xiàn)象的經(jīng)典教學(xué)素材。本演示實(shí)驗(yàn)用高溫?zé)嵩醇訜峒冄醐h(huán)境中的人工合成金剛石，使金剛石在氧氣中燃燒并生成二氧化碳，然后用燃燒的鎂條把二氧化碳還原為石墨。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，石墨中的碳元素全部來(lái)源于金剛石，直觀(guān)地證明了兩者是同素異形體。與已有研究相比，本實(shí)驗(yàn)采用非全程密閉的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)材料，用中學(xué)常見(jiàn)儀器就能完成。

關(guān)鍵詞： 同素異形現(xiàn)象; 金剛石; 石墨; 演示實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2020）06006404? 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

同素異形現(xiàn)象是指由同一種元素形成幾種性質(zhì)不同單質(zhì)的現(xiàn)象，這些單質(zhì)互稱(chēng)為同素異形體。金剛石和石墨是碳的同素異形體，非常適合作為介紹同素異形現(xiàn)象的素材，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中。在日常生活中，金剛石常被用于制造裝飾品和鉆頭，石墨常被用于制造鉛筆芯、潤(rùn)滑劑和電極，因此學(xué)生對(duì)金剛石和石墨物理性質(zhì)的巨大差異有一定的感性認(rèn)識(shí)。在初中階段，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“金剛石、石墨和C60”的相關(guān)知識(shí)，初步了解了金剛石和石墨的“同”（組成元素相同）與“異”（原子的結(jié)合方式不同）。在高中階段，蘇教版教科書(shū)《化學(xué)2》將同素異形現(xiàn)象等相關(guān)內(nèi)容編排在專(zhuān)題1第三單元“從微觀(guān)結(jié)構(gòu)看物質(zhì)的多樣性”中[1]，相配套的教師教學(xué)參考用書(shū)則分配給這部分內(nèi)容1課時(shí)，使學(xué)生對(duì)該概念有較深刻的理解。

但是，由于金剛石和石墨的物理性質(zhì)差異巨大，教師如果僅僅用語(yǔ)言介紹其組成元素是相同的，或許并不能讓學(xué)生完全信服。如果能通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示同素異形體之間的轉(zhuǎn)化（例如從金剛石到石墨的轉(zhuǎn)化），就能直觀(guān)地證明同素異形體的元素組成是相同的，讓教學(xué)內(nèi)容更有說(shuō)服力，同時(shí)給學(xué)生留下深刻的印象。

1 實(shí)驗(yàn)背景

雖然天然金剛石昂貴的價(jià)格阻礙了它在化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，但是近年來(lái)出現(xiàn)的人工合成金剛石給事情帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。人工合成金剛石是用極小的碎鉆（直徑一般為10～30nm）在人工模擬環(huán)境中培育長(zhǎng)大的，其成分組成與天然金剛石完全相同，故兩者的化學(xué)性質(zhì)也完全相同。同時(shí)，人工合成金剛石的價(jià)格非常低廉，0.01克拉（即質(zhì)量為2mg，主鉆分?jǐn)?shù)為1分）的合成金剛石在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的售價(jià)僅約15元，這樣的成本對(duì)于化學(xué)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)而言是可以接受的。

目前，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有相關(guān)的實(shí)踐研究，但國(guó)外已有一些探索和成果。Samaki設(shè)計(jì)了金剛石燃燒的實(shí)驗(yàn)，用高溫加熱玻璃管內(nèi)的金剛石，并把生成的氣體通入澄清石灰水，使澄清石灰水變渾濁，證明金剛石燃燒生成二氧化碳（與木炭燃燒一致）[2]。Miyauchi和Kamata進(jìn)一步改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)，在全程密閉的環(huán)境中先后完成了金剛石的燃燒和二氧化碳的還原兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“金剛石→二氧化碳→石墨”的轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)整體思路更加完整[3]。

遺憾的是，Miyauchi和Kamata的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很難在國(guó)內(nèi)中學(xué)重復(fù)再現(xiàn)。例如，該實(shí)驗(yàn)需要用連續(xù)可變電壓自耦變壓器提供10A電流，來(lái)加熱密閉空間內(nèi)的電熱絲并點(diǎn)燃鎂條，但國(guó)內(nèi)中學(xué)通常只配備2A或3A規(guī)格的學(xué)生電源，無(wú)法提供足夠點(diǎn)燃鎂條的電流。又如，該實(shí)驗(yàn)需要用儲(chǔ)氣袋收集受熱膨脹逸出的氣體，但國(guó)內(nèi)很少采用此類(lèi)材料。

因此，本文旨在設(shè)計(jì)一種非全程密閉的實(shí)驗(yàn)方案，在容器敞口時(shí)把二氧化碳以碳酸鈉溶液的形式儲(chǔ)存起來(lái)，避免逸出容器。利用這種方法同樣能實(shí)現(xiàn)“金剛石→二氧化碳→石墨”的轉(zhuǎn)換，而且用國(guó)內(nèi)中學(xué)的常見(jiàn)儀器就能完成。

2 實(shí)驗(yàn)材料

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

0.01克拉人工合成金剛石（質(zhì)量2mg，價(jià)格15元左右）、氧氣（壓縮罐裝，純度≥99.6%）、1mol/L氫氧化鈉溶液、2mol/L稀鹽酸、鎂條等

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

50mL耐高溫石英燒瓶、90°導(dǎo)管、乳膠軟管、20mL注射器、丁烷噴槍或酒精噴燈、鐵架臺(tái)和夾具、防火手套、滴管、砂紙、鑷子、剪刀等

3 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置： 首先用氧氣瓶在燒瓶?jī)?nèi)掃氣20秒，使燒瓶?jī)?nèi)充滿(mǎn)氧氣;接著在燒瓶中放入一顆金剛石，并用帶有90°導(dǎo)管的橡皮塞密封燒瓶口;然后用注射器吸取約5mL空氣和2mL氫氧化鈉溶液;最后用軟質(zhì)乳膠管連接90°導(dǎo)管和注射器乳頭（注射器可用鐵架臺(tái)及鐵夾夾持）。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 金剛石燃燒生成二氧化碳

（1） 檢驗(yàn)裝置氣密性，抽出或擠壓活塞一段距離，如果活塞能恢復(fù)到原位，則說(shuō)明裝置氣密性良好。第一次讀取注射器活塞所在位置的刻度。

（2） 佩戴防火手套，手持燒瓶頸部，使燒瓶?jī)A斜一定角度。

（3） 見(jiàn)圖2（a），用丁烷噴槍或酒精噴燈加熱燒瓶底部，同時(shí)手持燒瓶不斷晃動(dòng)。觀(guān)察金剛石的變化。

（4） 見(jiàn)圖2（b），停止加熱，靜置燒瓶，待其恢復(fù)至室溫。第二次讀取注射器活塞所在位置的刻度。

（5） 見(jiàn)圖2（c），把針筒中的氫氧化鈉溶液緩慢注入燒瓶中，搖晃燒瓶，使溶液與燒瓶?jī)?nèi)氣體充分接觸。第三次讀取注射器活塞所在位置的刻度。

4.2 二氧化碳被還原為石墨

（1） 見(jiàn)圖3（a），取下橡皮塞，用滴管在燒瓶中滴加10mL稀鹽酸，觀(guān)察有無(wú)氣泡產(chǎn)生。

（2） 見(jiàn)圖3（b），用鑷子夾取一根砂紙打磨后的鎂條，先在酒精噴燈或酒精燈上點(diǎn)燃，然后迅速伸入燒瓶中。

（3） 見(jiàn)圖3（c），松開(kāi)鑷子，把燃燒過(guò)的殘?jiān)鼇G入燒瓶的溶液中（如果鑷子夾持部位的少量鎂條未完全燃燒，也一并丟入溶液中，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果），觀(guān)察溶液中的變化。

（4） 設(shè)置對(duì)照組，在燒瓶?jī)?nèi)用氧氣瓶掃氣，加入10mL稀鹽酸，重復(fù)步驟（2）和（3），觀(guān)察溶液中的變化。

4.3 實(shí)驗(yàn)操作安全注意事項(xiàng)

（1） 加熱時(shí)必須佩戴防火手套。如果用溫度更高的丁烷噴槍加熱，最好在加熱時(shí)不斷抖動(dòng)燒瓶，一方面使燒瓶受熱均勻，另一方面使金剛石與氧氣充分接觸。

（2） 加熱時(shí)和加熱后不久的燒瓶溫度很高，因此在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)始終手持或用鐵架臺(tái)夾持注射器，避免注射器與燒瓶表面直接接觸，否則會(huì)導(dǎo)致塑料熔化。

（3） 鎂條燃燒發(fā)出耀眼的白光，觀(guān)察鎂條的燃燒應(yīng)佩戴防護(hù)眼鏡，否則應(yīng)避免直視[4]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教學(xué)策略

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金剛石在高溫下被點(diǎn)燃，發(fā)生氧化（燃燒）反應(yīng)，發(fā)出耀眼的白光，并生成二氧化碳。用鎂條在混合氣（生成的二氧化碳和剩余的氧氣）中燃燒，又使二氧化碳被還原，生成同樣由碳元素組成的石墨。具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與相應(yīng)的解釋見(jiàn)表1。

注： ①該數(shù)據(jù)為用丁烷噴槍點(diǎn)燃金剛石所需的時(shí)間。如果用溫度略低的酒精噴燈，則需要加熱更長(zhǎng)的時(shí)間。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律[8， 9]可知，實(shí)驗(yàn)最終生成的石墨中的碳元素全部來(lái)源于金剛石。雖然金剛石和石墨是性質(zhì)完全不同的兩種不同物質(zhì)，但它們都是由相同的碳元素組成的，因此金剛石和石墨是同素異形體。

在教學(xué)時(shí)，教師可以從化學(xué)史引入本實(shí)驗(yàn)。在歷史上，正是金剛石的燃燒實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了其元素組成的奧秘： 1722年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫將金剛石點(diǎn)燃，并檢驗(yàn)了生成的氣體是二氧化碳，從而證明了金剛石是由碳元素組成的[10]。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到金剛石燃燒需要苛刻的高溫條件，不僅可以感受到化學(xué)家在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件下探索的困難和艱辛，還可以想象到化學(xué)家實(shí)驗(yàn)成功的喜悅。

在操作過(guò)程中，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生比較同素異形體的物理性質(zhì)： 在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生應(yīng)仔細(xì)觀(guān)察金剛石的顏色和外形，并在塑料板、鐵皮等物品的表面劃刻，充分感受其堅(jiān)硬的物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可以用濾紙濾出生成的石墨，再次要求學(xué)生觀(guān)察其顏色和外形，并用佩戴乳膠手套的手指涂抹石墨（使石墨變得松散、分散開(kāi)來(lái)）。通過(guò)對(duì)金剛石和石墨物理性質(zhì)的比較，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，同素異形體之間的物理性質(zhì)可能差異巨大。

作為補(bǔ)充，教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生比較同素異形體的化學(xué)性質(zhì)： 學(xué)生回憶初中做過(guò)的木炭在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)可知，木炭可以輕松地被酒精燈點(diǎn)燃，說(shuō)明燃點(diǎn)較低（資料數(shù)據(jù)為320～370℃）;但是，本實(shí)驗(yàn)中，金剛石需要高溫加熱較長(zhǎng)時(shí)間后才開(kāi)始燃燒，說(shuō)明燃點(diǎn)較高（資料數(shù)據(jù)為720～800℃）。通過(guò)這樣的比較，學(xué)生可以了解同素異形體之間的化學(xué)性質(zhì)也可能差異很大。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1） 金剛石在高溫條件下可以在純氧環(huán)境中燃燒，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：?C（s，金剛石）+O2（g）高溫CO2（g）

（2） 鎂條在二氧化碳和氧氣的混合氣中燃燒，可以與二氧化碳發(fā)生還原反應(yīng)，生成石墨。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：?CO2（g）+2Mg（s）點(diǎn)燃2MgO（s）+C（s，石墨）

（3） 根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，實(shí)驗(yàn)最終生成的石墨中的碳元素全部來(lái)源于金剛石，證明了金剛石和石墨是同素異形體。（4） 本演示實(shí)驗(yàn)可以與化學(xué)史相結(jié)合，應(yīng)用于課堂引入等教學(xué)環(huán)節(jié)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)促進(jìn)學(xué)生對(duì)同素異形現(xiàn)象、概念的理解。

（致謝： 感謝程鵬、姜毅協(xié)助了本演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。）

參考文獻(xiàn)：

[1] 王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)？化學(xué)2（必修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2007： 18～20.

[2] Okamura S.. New Science 2 [M]. Tokyo： Tokyoshoseki， 2011： 27.

[3] Miyauchi T.， Kamata M.. Classroom Demonstration： Combustion of Diamond to Carbon Dioxide Followed by Reduction to Graphite [J]. Journal of Chemical Education， 2012， 89（8）： 1050～1052.

[4] 曹飛， 毛思哲， 蒲麗麗. 鎂條燃燒實(shí)驗(yàn)的光污染危害分析及防范方法[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （12）： 51～53.

[5] 張冰峰. “鎂條燃燒”實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)中的作用及實(shí)施[J]. 化學(xué)教育， 2017， 38（3）： 74～77.

[6] 林志勤， 李桂林， 李國(guó)興. 鎂與二氧化碳反應(yīng)的趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （7）： 51～53.

[7] Ruekberg B.. A Modification of the Combustion of Diamonds Demonstration [J]. Journal of Chemical Education， 2013， 90（1）： 10.

[8] 郭建虹. 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生高階思維能力發(fā)展的實(shí)踐研究——以“質(zhì)量守恒定律”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （5）： 54～58.

[9] 胡巢生. 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的初中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)——以“質(zhì)量守恒定律”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （2）： 45～49.

[10] 熊言林， 劉惠黎. 化學(xué)史上“最貴的實(shí)驗(yàn)”及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教育， 2014， 35（10）： 62～64.