Kjemien og strukturen til diamanter

Jeffrey Hamilton / Getty Images

Ordet 'diamant' er avledet fra det greske ordet ' Adamao ,' som betyr 'jeg temmer' eller 'jeg underkuer' eller det relaterte ordet ' adam ,' som betyr 'hardest stål' eller 'hardest substans'.

Alle vet diamanter er harde og vakre, men visste du at en diamant kan være det eldste materialet du kanskje eier? Mens bergarten som diamanter finnes i kan være 50 til 1600 millioner år gammel, er selve diamantene omtrent 3,3 milliarder år gammel. Dette avviket kommer fra det faktum at den vulkanske magmaen som størkner til stein, der diamanter finnes, ikke skapte dem, men bare transporterte diamantene fra jordkappen til overflaten. Diamanter kan også dannes under høye trykk og temperaturer på stedet meteoritt innvirkninger. Diamantene som dannes under et sammenstøt kan være relativt 'unge', men noen meteoritter inneholder stjernestøv - rusk fra døden til en stjerne - som kan inkludere diamantkrystaller. En slik meteoritt er kjent for å inneholde små diamanter over 5 milliarder år gamle. Disse diamantene er eldre enn våre solsystemet .

Start med karbon

Å forstå kjemien til en diamant krever grunnleggende kunnskap om elementet karbon . Et nøytralt karbon atom har seks protoner og seks nøytroner i kjernen, balansert av seks elektroner. Elektronskallkonfigurasjonen til karbon er 1s^to2s^to2p^to. Karbon har en valens av fire siden fire elektroner kan aksepteres for å fylle 2p-orbitalen. Diamant består av repeterende enheter av karbonatomer koblet til fire andre karbonatomer via den sterkeste kjemiske koblingen, kovalente bindinger . Hvert karbonatom er i et stivt tetraedrisk nettverk der det er like langt fra nabokarbonatomene. Den strukturelle enheten til diamant består av åtte atomer, fundamentalt arrangert i en kube. Dette nettverket er veldig stabilt og stivt, og det er grunnen til at diamanter er så veldig harde og har et høyt smeltepunkt.

Så godt som alt karbon på jorden kommer fra stjernene. Å studere isotopforholdet til karbonet i en diamant gjør det mulig å spore historien til karbonet. For eksempel, på jordens overflate, forholdet mellom isotoper karbon-12 og karbon-13 er litt forskjellig fra stjernestøv. Dessuten sorterer visse biologiske prosesser aktivt karbonisotoper etter masse, så isotopforholdet mellom karbon som har vært i levende ting er forskjellig fra jordens eller stjernene. Derfor er det kjent at karbonet for de fleste naturlige diamanter kommer sist fra mantelen, men karbonet for noen få diamanter er det resirkulerte karbonet av mikroorganismer, dannet til diamanter av jordskorpen via platetektonikk . Noen små diamanter som genereres av meteoritter er fra karbon som er tilgjengelig på treffstedet; noen diamantkrystaller i meteoritter er fortsatt friske fra stjernene.

Krystallstruktur

Krystallstrukturen til en diamant er et ansiktssentrert kubisk eller FCC-gitter. Hvert karbonatom forbinder fire andre karbonatomer i vanlige tetraeder (trekantprismer). Basert på den kubiske formen og dens svært symmetriske arrangement av atomer, kan diamantkrystaller utvikle seg til flere forskjellige former, kjent som 'krystallvaner'. Den vanligste krystallvanen er den åttesidige oktaeder- eller diamantformen. Diamantkrystaller kan også danne kuber, dodekaeder og kombinasjoner av disse formene. Bortsett fra to formklasser, er disse strukturene manifestasjoner av det kubiske krystallsystemet. Ett unntak er den flate formen kalt en makel, som egentlig er en sammensatt krystall, og det andre unntaket er klassen av etsede krystaller, som har avrundede overflater og kan ha langstrakte former. Ekte diamantkrystaller har ikke helt glatte ansikter, men kan ha forhøyede eller innrykkede trekantede vekster kalt 'trigoner'. Diamanter har perfekt spalting i fire forskjellige retninger, noe som betyr at en diamant vil skille seg pent langs disse retningene i stedet for å knekke på en hakkete måte.Spaltningslinjene skyldes at diamantkrystallen har færre kjemiske bindinger langs planet til dens oktaedriske overflate enn i andre retninger. Diamantskjærere drar fordel av linjer med spalting til fasett edelstener .

Grafitt er bare noen få elektronvolt mer stabil enn diamant, men aktiveringsbarrieren for konvertering krever nesten like mye energi som å ødelegge hele gitteret og bygge det opp igjen. Derfor, når diamanten først er dannet, vil den ikke konvertere tilbake til grafitt fordi barrieren er for høy. Diamanter sies å være metastabile siden de er kinetisk snarere enn termodynamisk stabile. Under de høye trykk- og temperaturforholdene som trengs for å danne en diamant, er formen faktisk mer stabil enn grafitt, og over millioner av år kan karbonholdige avsetninger sakte krystallisere til diamanter.