这是十多年前的事了。我在教初高中学校的理科时,曾冒出个想法——“想在学生面前演示将钻石点燃”。
之所以会有这样的想法,是因为中学以及高中的化学课中,都曾经反复提到“钻石是由碳原子组成的”。还说“如果将钻石点燃的话,会全部变成二氧化碳”。当时,我心想“从来没有亲自试过,每次却说得好像亲眼见过一样”。
所以,不要总停留在理论层面上,而要自己实际操作一次。
于是,除了利用互联网外,我还当面请教了初高中学校的老师。
结果很多人都一样,虽然经常在课堂上讲这些内容,但没有人真正尝试过自己去点燃钻石。
于是我就想,不管怎样,也要自己去尝试一次。
首先要入手钻石原石。
可是到哪里去找呢?
我打电话给经营钻石生意的商家,通过他们联系上了钻石的进口商。在钻石进口商的办公室里,他们向我展示了钻石原石,然后我终于得到了一直寻找的东西。
最开始,他取出一个5cm×5cm大小的塑料袋,里面装了许多细小颗粒状的钻石原石。我问他:“这样一袋要多少钱?”他回答要200万日元。
就这么大约100个钻石原石,折算下来1个要2万日元呢。“没有便宜点的吗?”我问。
然后他从中选出了10个0.05克大小、无色透明的钻石原石给我:“先生,这些可以免费提供给你做实验。”
当时我想得还比较乐观:“钻石就是碳元素。现在有了原石,剩下的就只差点燃它们了。”
回去后,我马上就用喷枪来加热钻石。可是,钻石却安然如故,只是呈炽热的状态(通红发热的状态),而停止加热后,又恢复到原来的状态。
接着,我想既然在空气中无法轻易地燃烧,那在氧气中应该就可以被点燃吧,于是又尝试在加热之后,立刻吹入氧气来助燃。但是,钻石仍然毫发无损。这样看来,要点燃钻石还真不是件容易的事。
于是我又通过互联网搜集各种各样的信息。其中,研究地球化学的东京大学名誉教授小岛稔在其讲义中曾提到过一种方法,“将加热的钻石原石投入液态氧”,通过这样的方式让钻石燃烧。
然后还查到,私立保善高中的教师和田志朗曾经成功地让钻石燃烧,于是我便请求他帮助我。
和田先生也表示,我之前尝试的方法是无法点燃钻石的。他所使用的方法,是在木炭中挖出一个小洞并将钻石放入其中,然后加热至通红的状态后停止加热,立刻向其中送入氧气。
我后来又尝试将钻石放入Pyrex(一种耐高温的硬质玻璃)试管,一边在试管中通入氧气,一边进行加热,结果只在试管上烧开了一个洞而已。真是屡战屡败啊!
钻石的构造
钻石的结构中,每个碳原子与相邻的4个碳原子形成共价键,其相互间形成了立体式的、坚固的巨大分子。所以它很难被分解,使碳原子与氧原子结合,生成二氧化碳(难以燃烧)。
但这并不是说,钻石就不能被点燃。有记录显示,法国的化学家安托万·拉瓦锡(1743—1794)就曾经用棱镜聚集太阳光使钻石燃烧,而英国的物理学家迈克尔·法拉第(1791—1867)曾经也成功地使钻石燃烧。
《岩波理化学辞典》中“碳元素”一词中也有“钻石在700~900℃时会与氧气发生反应”的表述。于是我就想,即使无法加热至燃烧所需的温度,至少也可以尝试使其保持“热量一直无法逃散出去”的状态。
在砂碟中摆放用三脚架支撑的陶瓷筒(其上开有刚好能放入钻石原石的小洞),放入钻石,然后用手持喷枪(说明书中说其火焰的温度约165℃)进行加热后,用氧气瓶向其中输送氧气。这样一来,通过不断地输送氧气,可以保持一个热量较难扩散的高温环境。
在持续加热之后,钻石终于起火了!
钻石原石一边闪耀着白色的光芒,一边燃烧起来。其一旦被点燃,只要继续输送氧气,燃烧就会一直持续下去。
于是,我开始关注下一个问题:“利用氧气加热时,钻石到底是在多少摄氏度时才会燃烧呢?”
我希望可以通过耐高温的“石英试管”,来研究钻石燃烧时的具体温度。实验所使用的石英试管是我委托东京大学海洋研究所的技师用石英管改造而成的。我在现场观看了整个石英管的制作流程,在封闭试管底部的圆底时,是用一个细长的石英管来调整形状的。
看到这里,我脑中闪现出了一个想法,“在这种细长的石英管中放入钻石原石,然后通入氧气进行加热的话,就能较容易地实现其一直在火焰的高温状态中进行燃烧了”。
首先,将钻石原石与电子温度计的感应器放入石英试管,然后一边通入氧气一边进行加热,得出其燃烧时达到的温度超过800℃。
接着,将钻石原石放入细长的石英管,一边通入氧气一边进行加热。将其放在理科实验室中常见的普通加热炉上,使原石被火焰的高温部分所包围,然后燃烧起来。生成的气体导入石灰水中后,澄清的石灰水变成白色且浑浊。这说明钻石原石燃烧产生了二氧化碳气体。
将钻石原石放入细小的石英管,边输送氧气边进行加热
①将小型的氧气瓶(或者装有氧气的塑料袋)与细长的石英管相连接,在石英管中放入钻石原石,在细管的另一端依次连接橡胶软管和玻璃管,并将玻璃管放入石灰水(最好在石英管的前端,放置铁丝制成的过滤网,可以防止通入的氧气将原石吹走)。
②一点点地通入氧气,然后加热钻石原石。
③钻石原石开始燃烧后,停止加热。可以观察到钻石从燃烧的状态变为炽热的状态。燃烧时钻石原石会整体发出白色的光芒。
即使停止加热后,原石仍会持续燃烧,石灰水会变成白色浑浊的状态。最后钻石会烧尽。
像这样,我们成功地点燃了钻石。
后来我收到互联网上《化学教育周刊》的邀稿,将整个过程写成了论文,即《钻石燃烧实验的教材化》。
※要想进行钻石燃烧的实验,可以从互联网上购买到钻石原石以及细长的石英管。幸运的是,现在已有理科教材的出版者,开始制作销售专门的“钻石燃烧实验套装”。其中包括了石英管和橡胶管,以及两颗钻石原石,而且还可以另行购买原石。
现在,很容易就可以买到一套供“钻石燃烧”用的实验套装。但是又有一个难题随之而来。某电视节目组收到了来自一名小学生观众的求助信。
“矿物图鉴上写着‘钻石是由碳元素构成的’。那么应该也跟炭一样可以燃烧的吧……我很喜欢吃烤蘑菇,所以很想试一试用钻石来烤蘑菇吃!”
仅仅让钻石燃烧起来就已经如此困难了,当然,这名小学生肯定不知道,我为了使一颗钻石燃烧起来费了多大的劲儿,不然也不会异想天开要用钻石来烤蘑菇了。
目前来看,要点燃一颗钻石已经变得很简单了。但是,要用钻石来烤蘑菇,就需要产生足够的热量才行,那么又该如何一次点燃这么多的钻石呢?
该节目制作方的助理导演频繁地给我打电话。“我们已经准备好了小型的烧烤炉!”“从专营切割工具的厂商那里拿到了实验用的钻石!”“该怎样做才能用烧烤炉点燃钻石呢?”询问了一堆问题。
虽然被问了这么多,但是我也没有过同时点燃这么多钻石的经验,所以只能硬着头皮试着去挑战了。
要使钻石在空气中燃烧需要非常高的温度。所以最好准备氧气瓶,以使其在氧气充足的环境中燃烧。
拍摄当天,剧组和写求助信的学生家庭一起,用喷枪的烈焰来加热炉子中的钻石,结果当然丝毫没有动静。
接下来,就轮到我作为“让钻石燃烧的名人”登场了。
我首先将从氧气瓶上引出来的橡胶软管,插入烧烤炉底部的空气通风口,向其中输送氧气。但是,由于钻石堆得太满,氧气没能送到炉子的上部。
然后,我用喷枪从上方对钻石进行加热,热量传递到了底部的橡胶软管中,结果炉子生出很大的火焰来。因为有氧气,橡胶软管也被点燃了。幸运的是,我马上停止了氧气输送,这才没有酿成大祸。
用钻石烤蘑菇
接下来我改用石英管来向炉子中输送氧气,同时将堆放的钻石摆得稀疏一些,再次进行实验。
“点燃啦!”
当喷枪的火焰还有一段距离时,一部分钻石已呈炽热状态。
当然,上面的蘑菇也被烤熟可以吃了。
我对节目组从专营切割工具的厂商那里拿来的人造钻石产生了兴趣。直径1~2毫米的颗粒,并非是用来做珠宝的,且原本无色透明的状态在氮气的影响下可以进行上色。拍摄时所使用的钻石的价值,大约相当于几台奔驰车的价值。
用价值几台奔驰车的钻石来烤蘑菇吃,这还真是一次奢侈的体验啊!