Kim cương có tên gọi hoa học là gì

Phần 2: Thuộc tính và loại kim cương

Thuộc tính của kim cương

Kim cương là vật liệu tự nhiên khó nhất. Thang đo độ cứng Mohs, trên đó kim cương là '10' và corundum [sapphire] là '9', không chứng thực đầy đủ độ cứng khó tin này, vì kim cương cứng hơn số mũ corundum theo cấp số nhân. Kim cương cũng là chất nén ít nhất và cứng nhất. Nó là một chất dẫn nhiệt đặc biệt - tốt hơn 4 lần so với đồng - mang lại ý nghĩa cho kim cương được gọi là 'băng'.

Kim cương có độ giãn nở nhiệt cực thấp, là trơ hóa học đối với hầu hết các axit và kiềm, trong suốt từ tia hồng ngoại xa thông qua tia cực tím sâu, và là một trong số ít vật liệu có chức năng làm việc tiêu cực [ái lực điện tử]. Một hệ quả của ái lực điện tử âm là kim cương đẩy lùi nước, nhưng dễ dàng chấp nhận các hydrocacbon như sáp hoặc dầu mỡ.

Kim cương không dẫn điện tốt, mặc dù một số là chất bán dẫn. Kim cương có thể đốt cháy nếu chịu nhiệt độ cao khi có oxy. Kim cương có trọng lượng riêng cao; nó là đáng kinh ngạc dày đặc cho trọng lượng nguyên tử thấp của carbon. Sự rực rỡ và lửa của một viên kim cương là do sự phân tán cao và chỉ số khúc xạ cao. Kim cương có độ phản xạ và chỉ số khúc xạ cao nhất của bất kỳ chất trong suốt nào. Đá quý kim cương thường có màu xanh nhạt hoặc xanh nhạt, nhưng kim cương màu, được gọi là 'fancies', đã được tìm thấy trong tất cả các màu của cầu vồng.

Boron, mà cho vay một màu hơi xanh, và nitơ, mà thêm một diễn viên màu vàng, là dấu vết phổ biến tạp chất. Hai loại đá núi lửa có thể chứa kim cương là kimberlite và lamproite. Tinh thể kim cương thường chứa các tạp chất khác như garnet hoặc chromite. Nhiều viên kim cương phát ra màu xanh lam thành màu tím, đôi khi đủ mạnh để được nhìn thấy trong ánh sáng ban ngày.

Một số viên kim cương màu xanh-huỳnh quang phosphoresce màu vàng [phát sáng trong bóng tối trong một phản ứng hào quang].

Loại kim cương

• Kim cương tự nhiên

  Kim cương tự nhiên được phân loại theo loại và số lượng tạp chất tìm thấy trong chúng.

  • Loại Ia - Đây là loại kim cương tự nhiên phổ biến nhất, chứa tới 0,3% nitơ.
  • Loại Ib - Rất ít kim cương tự nhiên thuộc loại này [~ 0.1%], nhưng gần như tất cả các viên kim cương công nghiệp tổng hợp đều có. Loại kim cương Ib chứa lên đến 500 ppm nitơ.
  • Loại IIa - Loại này rất hiếm trong tự nhiên. Kim cương loại IIa chứa rất ít nitơ mà nó không dễ dàng được phát hiện bằng phương pháp hấp thụ hồng ngoại hoặc tia cực tím.
  • Loại IIb - Loại này cũng rất hiếm trong tự nhiên. Kim cương loại IIb chứa rất ít nitơ [thậm chí thấp hơn loại IIa] mà tinh thể là một chất bán dẫn loại p.
• Kim cương công nghiệp tổng hợp

  Kim cương công nghiệp tổng hợp đã tạo ra quá trình tổng hợp nhiệt độ cao áp cao [HPHT]. Trong tổng hợp HPHT, than chì và chất xúc tác kim loại được đặt trong một máy ép thủy lực dưới nhiệt độ và áp suất cao. Trong khoảng thời gian vài giờ, graphite chuyển thành kim cương. Các viên kim cương thu được thường có kích thước vài milimét và quá thiếu sót để sử dụng làm đá quý, nhưng chúng cực kỳ hữu ích như các cạnh trên các công cụ cắt và các mũi khoan và được nén để tạo ra áp suất rất cao. [Ghi chú bên thú vị: Mặc dù được sử dụng để cắt, nghiền và đánh bóng nhiều vật liệu, kim cương không được sử dụng để hợp kim sắt vì kim cương bị mài mòn rất nhanh, do phản ứng nhiệt độ cao giữa sắt và carbon.]

• Kim cương phim mỏng

  Một quá trình gọi là lắng đọng hơi hóa học [CVD] có thể được sử dụng để gửi các màng mỏng của viên kim cương đa tinh thể. Công nghệ CVD có thể đặt lớp phủ “không mài mòn” trên các bộ phận máy, sử dụng lớp phủ kim cương để hút nhiệt ra khỏi các linh kiện điện tử, cửa sổ thời trang trong suốt trên phạm vi bước sóng rộng và tận dụng các tính chất khác của kim cương.

Đọc thêm

• Diamond - Molecule of Month - Trang web này bao gồm các đặc tính của kim cương, sự khác biệt giữa kim cương và than chì, phân loại kim cương tự nhiên, sản xuất kim cương tổng hợp công nghiệp và lắng đọng hơi hóa học của kim cương đa tinh thể.
• Các liên kết đến các nhóm Nghiên cứu CVD Diamond - Nhóm kim cương lắng đọng hơi hóa học của Đại học Bristol duy trì danh sách các nhóm khác tham gia vào nghiên cứu tương tự.

• Hóa học của Carbon - Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hóa học cơ bản liên kết với carbon, nhấn mạnh sự khác biệt tinh thể giữa graphite và kim cương.

Phần 1: Hóa học cacbon và cấu trúc tinh thể kim cương

Hóa học cacbon và cấu trúc tinh thể kim cương

Từ 'kim cương' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp adamao , có nghĩa là 'Tôi chế ngự' hoặc 'Tôi chinh phục' hoặc adamas từ liên quan, có nghĩa là 'thép cứng nhất' hoặc 'chất khó nhất'. Mọi người đều biết kim cương cứng và đẹp, nhưng bạn có biết kim cương có thể là vật liệu lâu đời nhất mà bạn có thể sở hữu không? Trong khi tảng đá mà kim cương được tìm thấy có thể từ 50 đến 1.600 triệu năm tuổi, kim cương của chúng xấp xỉ 3,3 tỷ năm tuổi.

Sự khác biệt này xuất phát từ thực tế là magma núi lửa hóa thành đá nơi mà kim cương được tìm thấy không tạo ra chúng, nhưng chỉ vận chuyển kim cương từ lớp vỏ Trái đất lên bề mặt. Kim cương cũng có thể hình thành dưới áp suất cao và nhiệt độ tại vị trí của các tác động thiên thạch. Những viên kim cương hình thành trong một tác động có thể tương đối 'trẻ', nhưng một số thiên thạch chứa bụi sao, mảnh vụn từ cái chết của một ngôi sao, có thể bao gồm các tinh thể kim cương. Một thiên thạch như vậy được biết là chứa kim cương nhỏ hơn 5 tỷ năm tuổi. Những viên kim cương này lớn hơn hệ mặt trời của chúng ta!

Bắt đầu với Carbon

Hiểu được hóa học của một viên kim cương đòi hỏi kiến ​​thức cơ bản về nguyên tố carbon . Một nguyên tử cacbon trung tính có sáu proton và sáu neutron trong nhân của nó, được cân bằng bởi sáu electron. Cấu hình vỏ điện tử của carbon là 1s 2 2s 2 2p 2 . Carbon có giá trị bốn vì bốn electron có thể được chấp nhận để lấp đầy quỹ đạo 2p.

Kim cương được tạo thành từ các đơn vị lặp đi lặp lại của các nguyên tử cacbon kết hợp với bốn nguyên tử cacbon khác thông qua liên kết hóa học mạnh nhất, liên kết cộng hóa trị . Mỗi nguyên tử cacbon nằm trong một mạng tứ diện cứng nhắc, ở đó nó không đổi so với các nguyên tử carbon lân cận của nó. Các đơn vị cấu trúc của kim cương bao gồm tám nguyên tử, sắp xếp cơ bản trong một khối lập phương.

Mạng này rất ổn định và cứng nhắc, đó là lý do tại sao kim cương rất cứng và có điểm nóng chảy cao.

Hầu như tất cả cácbon trên Trái Đất đều đến từ các vì sao. Nghiên cứu tỷ lệ đồng vị của carbon trong một viên kim cương làm cho nó có thể theo dõi lịch sử của carbon. Ví dụ, ở bề mặt trái đất, tỷ lệ các đồng vị carbon-12 và carbon-13 hơi khác so với bụi sao. Ngoài ra, một số quá trình sinh học nhất định chủ động phân loại các đồng vị cácbon theo khối lượng, vì vậy tỷ lệ đồng vị của cácbon trong sinh vật sống khác với Trái Đất hoặc các vì sao. Vì vậy, người ta biết rằng carbon cho hầu hết các kim cương tự nhiên xuất hiện gần đây nhất từ ​​lớp vỏ, nhưng carbon cho một vài viên kim cương là carbon tái sinh của vi sinh vật, được hình thành kim cương bởi lớp vỏ trái đất thông qua kiến ​​tạo mảng. Một số kim cương nhỏ được tạo ra bởi thiên thạch là từ carbon có sẵn tại vị trí tác động; một số tinh thể kim cương trong thiên thạch vẫn còn tươi mới từ các ngôi sao.

Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể của một viên kim cương là một mạng khối hoặc mặt trung tâm của FCC. Mỗi nguyên tử cacbon tham gia bốn nguyên tử cacbon khác trong tứ diện thông thường [lăng kính hình tam giác]. Dựa trên hình khối và sự sắp xếp đối xứng cao của các nguyên tử, tinh thể kim cương có thể phát triển thành nhiều hình dạng khác nhau, được gọi là 'thói quen pha lê'.

Thói quen tinh thể phổ biến nhất là hình bát giác tám mặt hoặc hình kim cương. Tinh thể kim cương cũng có thể tạo thành hình khối, dodecahedra, và sự kết hợp của những hình dạng này. Ngoại trừ hai lớp hình dạng, những cấu trúc này là biểu hiện của hệ tinh thể khối. Một ngoại lệ là dạng phẳng được gọi là một macle, mà thực sự là một tinh thể hỗn hợp, và ngoại lệ khác là lớp tinh thể khắc, làm tròn bề mặt và có thể có hình dạng dài. Tinh thể kim cương thật không có khuôn mặt hoàn toàn trơn tru, nhưng có thể đã tăng hoặc thụt vào hình tam giác tăng trưởng gọi là 'trigons'. Kim cương có sự phân tách hoàn hảo theo bốn hướng khác nhau, có nghĩa là một viên kim cương sẽ tách biệt gọn gàng theo những hướng này chứ không phải là một cách lởm chởm. Các đường phân cắt tạo ra từ tinh thể kim cương có ít liên kết hóa học dọc theo mặt phẳng bát diện hơn các hướng khác.

Máy cắt kim cương tận dụng lợi thế của các đường phân cắt với đá quý khía cạnh.

Graphite chỉ là một vài electron volts ổn định hơn kim cương, nhưng rào cản kích hoạt cho chuyển đổi đòi hỏi gần như nhiều năng lượng như phá hủy toàn bộ mạng lưới và xây dựng lại nó. Do đó, một khi viên kim cương được hình thành, nó sẽ không tái ngược lại thành graphite vì rào chắn quá cao. Kim cương được cho là có thể di chuyển được vì chúng thuộc về kinetically chứ không phải ổn định nhiệt động lực học. Dưới điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cần thiết để hình thành hình dạng kim cương của nó thực sự ổn định hơn so với graphite, và vì vậy hàng triệu năm, tiền gửi cacbonat có thể từ từ kết tinh thành kim cương.