Kemi och struktur av diamanter

Ordet "diamant" härrör från det grekiska ordet "adamao,"som betyder" Jag temmer "eller" Jag undrar "eller det relaterade ordet"adamas,"vilket betyder" hårdaste stål "eller" hårdaste ämne ".

Alla vet att diamanter är hårda och vackra, men visste du att en diamant kan vara det äldsta materialet du kanske äger? Medan berget där diamanter finns kan vara 50 till 1 600 miljoner år gammalt, är diamanterna själva cirka 3,3 miljard år gammal. Denna skillnad kommer från det faktum att den vulkaniska magma som stelnar till sten, där diamanter finns inte skapade dem utan bara transporterade diamanter från jordens mantel till ytan. Diamanter kan också bildas under högt tryck och temperaturer på platsen för meteoritpåverkan. De diamanter som bildats under en påverkan kan vara relativt "unga", men vissa meteoriter innehåller stardust - skräp från döden av en stjärna - som kan inkludera diamantkristaller. En sådan meteorit är känd för att innehålla små diamanter över 5 miljarder år gamla. Dessa diamanter är äldre än vårt solsystem.

Börja med kol

Att förstå en diamants kemi kräver en grundläggande kunskap om elementet kol. En neutral kolatom har sex protoner och sex neutroner i sin kärna, balanserad av sex elektroner. Elektronskalskonfigurationen för kol är 1s²2s²2p². Kol har en valens på fyra eftersom fyra elektroner kan accepteras för att fylla 2p-kretsloppet. Diamond består av upprepande enheter av kolatomer förenade med fyra andra kolatomer via den starkaste kemiska kopplingen, kovalenta bindningar. Varje kolatom är i ett styvt tetraedralt nätverk där det är ekvidistant från dess närliggande kolatomer. Den strukturella enheten av diamant består av åtta atomer, fundamentalt arrangerade i en kub. Detta nätverk är mycket stabilt och styvt, varför diamanter är så mycket hårda och har en hög smältpunkt.

Praktiskt taget allt kol på jorden kommer från stjärnorna. Att studera det isotopiska förhållandet mellan kolet i en diamant gör det möjligt att spåra kolens historia. Till exempel på jordytan är förhållandet mellan isotoper kol-12 och kol-13 något annorlunda än stardust. Vissa biologiska processer sorterar också aktivt kolisotoper efter massan, så det isotopiska förhållandet kol som har varit i levande saker skiljer sig från jorden eller stjärnorna. Därför är det känt att kolet för de flesta naturliga diamanter kommer nyligen från manteln, men kolet för några få diamanter är det återvunna kolet från mikroorganismer, som formas till diamanter av jordskorpan via plattaktonik. Några minutdiamanter som genereras av meteoriter är från kol tillgängligt på anläggningsplatsen; vissa diamantkristaller inom meteoriterna är fortfarande färska från stjärnorna.

Kristallstruktur

Kristallstrukturen hos en diamant är ett ansiktscentrerat kubiskt eller FCC-galler. Varje kolatom sammanfogar fyra andra kolatomer i vanliga tetraedrar (triangulära prismor). Baserat på den kubiska formen och dess mycket symmetriska arrangemang av atomer kan diamantkristaller utvecklas till flera olika former, kända som "kristallvanor". Den vanligaste kristallvanan är den åtttsidiga oktaeder eller diamantform. Diamantkristaller kan också bilda kuber, dodecahedra och kombinationer av dessa former. Förutom två formklasser är dessa strukturer manifestationer av det kubiska kristallsystemet. Ett undantag är den plana formen som kallas en macle, som verkligen är en sammansatt kristall, och det andra undantaget är klassen av etsade kristaller, som har rundade ytor och kan ha långsträckta former. Riktiga diamantkristaller har inte helt släta ansikten men kan ha lyft eller intryckta triangulära tillväxter som kallas "trigoner". Diamanter har perfekt klyvning i fyra olika riktningar, vilket innebär att en diamant kommer att separera snyggt längs dessa riktningar snarare än att bryta på ett taggat sätt. Klyvningslinjerna härrör från diamantkristallen med färre kemiska bindningar längs planet på dess oktaedriska yta än i andra riktningar. Diamantskärare drar nytta av klyvningslinjer till facet ädelstenar.

Grafit är bara några få elektronvolts mer stabil än diamant, men aktiveringsbarriären för omvandling kräver nästan lika mycket energi som att förstöra hela gitteret och bygga om det. När diamanten har formats kommer den därför inte att återgå till grafit eftersom barriären är för hög. Diamanter sägs vara metastabla eftersom de är kinetiskt snarare än termodynamiskt stabila. Under de höga tryck- och temperaturförhållandena som krävs för att bilda en diamant är dess form faktiskt mer stabil än grafit, och så under miljoner år kan kolhaltiga avlagringar långsamt kristallisera till diamanter.