Die Chemie und Struktur von Diamanten

Das Wort "Diamant" leitet sich vom griechischen Wort "adamao,"bedeutet" ich zähme "oder" ich bezwinge "oder das verwandte Wort"adamas,"Was bedeutet" härtester Stahl "oder" härteste Substanz ".

Jeder weiß, dass Diamanten hart und schön sind, aber wussten Sie, dass ein Diamant das älteste Material sein könnte, das Sie besitzen könnten? Während das Gestein, in dem Diamanten gefunden werden, 50 bis 1.600 Millionen Jahre alt sein kann, sind die Diamanten selbst ungefähr 3,3 Milliarde Jahre alt. Diese Diskrepanz ergibt sich aus der Tatsache, dass das vulkanische Magma, das sich im Gestein verfestigt, wo Diamanten gefunden werden, diese nicht erzeugt, sondern nur die Diamanten vom Erdmantel an die Oberfläche transportiert hat. Diamanten können sich auch an Orten mit Meteoriteneinschlägen unter hohem Druck und hohen Temperaturen bilden. Die Diamanten, die sich während eines Aufpralls bilden, mögen relativ "jung" sein, aber einige Meteoriten enthalten Sternenstaub - Trümmer vom Tod eines Sterns - die Diamantkristalle enthalten können. Von einem solchen Meteoriten ist bekannt, dass er winzige Diamanten enthält, die älter als 5 Milliarden Jahre sind. Diese Diamanten sind älter als unser Sonnensystem.

Beginnen Sie mit Carbon

Das Verständnis der Chemie eines Diamanten setzt grundlegende Kenntnisse über das Element Kohlenstoff voraus. Ein neutrales Kohlenstoffatom hat sechs Protonen und sechs Neutronen im Kern, die durch sechs Elektronen ausgeglichen werden. Die Elektronenhüllenkonfiguration von Kohlenstoff beträgt 1s²2s²2p². Kohlenstoff hat eine Wertigkeit von vier, da vier Elektronen akzeptiert werden können, um das 2p-Orbital zu füllen. Diamant besteht aus sich wiederholenden Einheiten von Kohlenstoffatomen, die über die stärkste chemische Bindung, kovalente Bindungen, mit vier anderen Kohlenstoffatomen verbunden sind. Jedes Kohlenstoffatom befindet sich in einem starren tetraedrischen Netzwerk und ist von seinen benachbarten Kohlenstoffatomen gleich weit entfernt. Die Struktureinheit des Diamanten besteht aus acht Atomen, die grundsätzlich in einem Würfel angeordnet sind. Dieses Netzwerk ist sehr stabil und starr, weshalb Diamanten so hart sind und einen hohen Schmelzpunkt haben.

Praktisch der gesamte Kohlenstoff auf der Erde kommt von den Sternen. Das Studium des Isotopenverhältnisses des Kohlenstoffs in einem Diamanten ermöglicht es, die Geschichte des Kohlenstoffs zu verfolgen. Beispielsweise unterscheidet sich an der Erdoberfläche das Verhältnis der Isotope Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 geringfügig von dem von Sternenstaub. Bestimmte biologische Prozesse sortieren Kohlenstoffisotope aktiv nach der Masse, sodass sich das Isotopenverhältnis von Kohlenstoff in Lebewesen von dem der Erde oder der Sterne unterscheidet. Daher ist bekannt, dass der Kohlenstoff für die meisten natürlichen Diamanten in jüngerer Zeit aus dem Mantel stammt, während der Kohlenstoff für einige Diamanten der recycelte Kohlenstoff von Mikroorganismen ist, der durch die Erdkruste über Plattentektonik zu Diamanten geformt wird. Einige winzige Diamanten, die von Meteoriten erzeugt werden, stammen aus Kohlenstoff, der am Aufprallort verfügbar ist. Einige Diamantkristalle in Meteoriten sind noch immer sternenfrisch.

Kristallstruktur

Die Kristallstruktur eines Diamanten ist ein flächenzentriertes kubisches oder FCC-Gitter. Jedes Kohlenstoffatom verbindet vier andere Kohlenstoffatome in regelmäßigen Tetraedern (Dreiecksprismen). Aufgrund der kubischen Form und der hochsymmetrischen Anordnung der Atome können Diamantkristalle verschiedene Formen annehmen, die als "Kristallgewohnheiten" bezeichnet werden. Die häufigste Kristallform ist die achteckige Oktaeder- oder Diamantform. Diamantkristalle können auch Würfel, Dodekaeder und Kombinationen dieser Formen bilden. Mit Ausnahme von zwei Formklassen sind diese Strukturen Manifestationen des kubischen Kristallsystems. Eine Ausnahme ist die flache Form, die als Macle bezeichnet wird und eigentlich ein Verbundkristall ist, und die andere Ausnahme ist die Klasse der geätzten Kristalle, die abgerundete Oberflächen und möglicherweise längliche Formen haben. Echte Diamantkristalle haben keine vollständig glatten Flächen, können aber erhabene oder eingedrückte dreieckige Wucherungen aufweisen, die als "Trigonen" bezeichnet werden. Diamanten haben eine perfekte Spaltung in vier verschiedenen Richtungen, was bedeutet, dass sich ein Diamant entlang dieser Richtungen sauber ablöst, anstatt in gezackter Weise zu brechen. Die Spaltungslinien resultieren daraus, dass der Diamantkristall entlang der Ebene seiner oktaedrischen Fläche weniger chemische Bindungen aufweist als in anderen Richtungen. Diamantschleifer nutzen die Spaltungslinien von Facettenedelsteinen.

Graphit ist nur wenige Elektronenvolt stabiler als Diamant, aber die Aktivierungsbarriere für die Umwandlung erfordert fast so viel Energie wie die Zerstörung des gesamten Gitters und dessen Wiederaufbau. Sobald der Diamant gebildet ist, wird er daher nicht wieder in Graphit umgewandelt, da die Barriere zu hoch ist. Diamanten sollen metastabil sein, da sie kinetisch und nicht thermodynamisch stabil sind. Unter den Bedingungen von hohem Druck und hoher Temperatur, die zur Bildung eines Diamanten erforderlich sind, ist seine Form tatsächlich stabiler als Graphit, und so können kohlenstoffhaltige Ablagerungen über Millionen von Jahren langsam zu Diamanten kristallisieren.