Chimia și structura diamantelor

Cuvântul „diamant” este derivat din cuvântul grecescadamao,„însemnând„ am îmblânzit ”sau„ am supus ”sau cuvântul aferent”Adamas,care înseamnă „oțel cel mai greu” sau „cea mai grea substanță”.

Toată lumea știe că diamantele sunt dure și frumoase, dar știai că un diamant ar putea fi cel mai vechi material pe care l-ai putea deține? În timp ce roca în care se găsesc diamante poate avea 50 până la 1.600 de milioane de ani, diamantele în sine sunt aproximativ 3.3 miliard varsta. Această discrepanță provine de la faptul că magma vulcanică care se solidifică în rocă, unde se găsesc diamante nu le-a creat, ci a transportat doar diamantele de la mantia Pământului la suprafață. De asemenea, diamantele se pot forma sub presiuni mari și temperaturi la locul impactului meteoritului. Diamantele formate în timpul impactului pot fi relativ „tinere”, dar unii meteoriți conțin stardust - resturi de la moartea unei stele - care pot include cristale de diamant. Se știe că un astfel de meteorit conține diamante minuscule cu o vechime de peste 5 miliarde de ani. Aceste diamante sunt mai vechi decât sistemul nostru solar.

Începeți cu Carbon

Înțelegerea chimiei unui diamant necesită o cunoaștere de bază a carbonului elementului. Un atom de carbon neutru are șase protoni și șase neutroni în nucleul său, echilibrat de șase electroni. Configurația carcasei electronilor a carbonului este de 1s²2s²2p². Carbonul are o valență de patru, deoarece patru electroni pot fi acceptați pentru a umple orbitalul 2p. Diamantul este format din unități repetate de atomi de carbon unite la alți patru atomi de carbon prin cea mai puternică legătură chimică, legături covalente. Fiecare atom de carbon se află într-o rețea tetraedrică rigidă, unde este echidistant față de atomii de carbon vecini. Unitatea structurală a diamantului este formată din opt atomi, aranjați fundamental într-un cub. Această rețea este foarte stabilă și rigidă, motiv pentru care diamantele sunt atât de dure și au un punct de topire ridicat.

Practic tot carbonul de pe Pământ provine de la stele. Studierea raportului izotopic al carbonului într-un diamant face posibilă urmărirea istoriei carbonului. De exemplu, la suprafața pământului, raportul dintre izotopii carbon-12 și carbon-13 este ușor diferit de cel al stardustului. De asemenea, anumite procese biologice sortează activ izotopii de carbon în funcție de masă, astfel încât raportul izotopic de carbon care a fost în ființele vii este diferit de cel al Pământului sau al stelelor. Prin urmare, se știe că carbonul pentru cele mai multe diamante naturale provine cel mai recent din manta, dar carbonul pentru câteva diamante este carbonul reciclat al microorganismelor, format în diamante prin crusta terestră prin tectonica plăcii. Unele diamante minute generate de meteoriți sunt din carbon disponibile pe locul impactului; unele cristale de diamant din meteoriți sunt încă proaspete de la stele.

Structură cristalină

Structura de cristal a unui diamant este o față cubică centrată sau o rețea FCC. Fiecare atom de carbon se unește cu alți patru atomi de carbon în tetraedri obișnuiți (prisme triunghiulare). Pe baza formei cubice și a aranjamentului său extrem de simetric de atomi, cristalele de diamant se pot dezvolta în mai multe forme diferite, cunoscute sub numele de „obiceiuri de cristal”. Cel mai obișnuit obicei de cristal este forma de octadaedru sau diamant pe opt fețe. Cristalele de diamant pot forma, de asemenea, cuburi, dodecaedre și combinații ale acestor forme. Cu excepția a două clase de forme, aceste structuri sunt manifestări ale sistemului cu cristale cubice. O excepție este forma plană numită macle, care este într-adevăr un cristal compozit, iar cealaltă excepție este clasa de cristale gravate, care au suprafețe rotunjite și pot avea forme alungite. Cristalele reale de diamant nu au fețe complet netede, dar pot avea creșteri triunghiulare ridicate sau indentate numite „trigone”. Diamantele au clivajul perfect în patru direcții diferite, ceea ce înseamnă că un diamant se va separa perfect de-a lungul acestor direcții, în loc să se rupă într-o manieră zimțată. Liniile de clivaj rezultă din cristalul de diamant având mai puține legături chimice de-a lungul planului feței sale octaedrice decât în ​​alte direcții. Cuțitele de diamant profită de liniile de clivaj pentru pietrele de fațetă.

Grafitul este doar câțiva volți de electroni mai stabil decât diamantul, dar bariera de activare pentru conversie necesită aproape la fel de multă energie ca distrugerea întregii zăbrele și reconstruirea acesteia. Prin urmare, odată format diamantul, acesta nu se va reconverti în grafit, deoarece bariera este prea mare. Se spune că diamantele sunt metastabile, deoarece sunt cinetice mai degrabă decât stabile termodinamic. În condițiile de înaltă presiune și temperatură necesare pentru a forma un diamant, forma sa este de fapt mai stabilă decât grafitul și, astfel, de-a lungul a milioane de ani, depozitele carbonace se pot cristaliza lent în diamante.