De chemie en structuur van diamanten

Het woord 'diamant' is afgeleid van het Griekse woord 'adamao,'wat betekent' ik tem 'of' ik onderwerpen 'of het verwante woord'adamas,wat betekent 'hardste staal' of 'hardste stof'.

Iedereen weet dat diamanten hard en mooi zijn, maar wist je dat een diamant het oudste materiaal zou kunnen zijn dat je misschien bezit? Terwijl de rots waarin diamanten worden gevonden 50 tot 1600 miljoen jaar oud kan zijn, zijn de diamanten zelf ongeveer 3,3 miljard jaar oud. Deze discrepantie komt van het feit dat het vulkanische magma dat vast wordt in rots, waar diamanten worden gevonden, deze niet heeft gecreëerd, maar alleen de diamanten van de aardmantel naar het oppervlak heeft getransporteerd. Diamanten kunnen zich ook vormen onder de hoge druk en temperaturen op de plaats van meteorietinslagen. De diamanten gevormd tijdens een botsing kunnen relatief 'jong' zijn, maar sommige meteorieten bevatten sterrenstof - puin van de dood van een ster - waaronder diamantkristallen. Van zo'n meteoriet is bekend dat het kleine diamanten van meer dan 5 miljard jaar oud bevat. Deze diamanten zijn ouder dan ons zonnestelsel.

Begin met koolstof

Het begrijpen van de chemie van een diamant vereist een basiskennis van het element koolstof. Een neutraal koolstofatoom heeft zes protonen en zes neutronen in zijn kern, uitgebalanceerd door zes elektronen. De elektronenschilconfiguratie van koolstof is 1s²2s²2p². Koolstof heeft een valentie van vier, omdat vier elektronen kunnen worden geaccepteerd om de 2p orbitaal te vullen. Diamant bestaat uit zich herhalende eenheden van koolstofatomen verbonden met vier andere koolstofatomen via de sterkste chemische koppeling, covalente bindingen. Elk koolstofatoom bevindt zich in een star tetraëdrisch netwerk waar het zich op gelijke afstand bevindt van zijn aangrenzende koolstofatomen. De structurele eenheid van diamant bestaat uit acht atomen, fundamenteel gerangschikt in een kubus. Dit netwerk is zeer stabiel en rigide, daarom zijn diamanten zo hard en hebben ze een hoog smeltpunt.

Vrijwel alle koolstof op aarde komt van de sterren. Het bestuderen van de isotopenverhouding van de koolstof in een diamant maakt het mogelijk om de geschiedenis van de koolstof te traceren. Aan het aardoppervlak is de verhouding van isotopen koolstof-12 en koolstof-13 bijvoorbeeld iets anders dan die van sterrenstof. Ook sorteren bepaalde biologische processen actief koolstofisotopen op basis van massa, dus de isotopenverhouding van koolstof die in levende wezens is geweest, verschilt van die van de aarde of de sterren. Daarom is het bekend dat de koolstof voor de meeste natuurlijke diamanten het meest recent uit de mantel komt, maar de koolstof voor een paar diamanten is de gerecyclede koolstof van micro-organismen, gevormd tot diamanten door de aardkorst via platentektoniek. Sommige minuscule diamanten die door meteorieten worden gegenereerd, zijn van koolstof beschikbaar op de plaats van impact; sommige diamantkristallen in meteorieten zijn nog vers van de sterren.

Kristal structuur

De kristalstructuur van een diamant is een vlakgecentreerd kubisch of FCC-rooster. Elk koolstofatoom verbindt vier andere koolstofatomen in regelmatige tetraëders (driehoekige prisma's). Gebaseerd op de kubieke vorm en de zeer symmetrische rangschikking van atomen, kunnen diamantkristallen zich ontwikkelen tot verschillende vormen, bekend als 'kristalgewoonten'. De meest voorkomende kristalgewoonte is de achtzijdige octaëder of diamantvorm. Diamantkristallen kunnen ook kubussen, dodecaëders en combinaties van deze vormen vormen. Met uitzondering van twee vormklassen, zijn deze structuren manifestaties van het kubieke kristalsysteem. Een uitzondering is de platte vorm die een macle wordt genoemd, wat echt een samengesteld kristal is, en de andere uitzondering is de klasse van geëtste kristallen, die afgeronde oppervlakken hebben en langwerpige vormen kunnen hebben. Echte diamantkristallen hebben geen volledig gladde gezichten, maar kunnen verhoogde of ingesprongen driehoekige gezwellen hebben die 'trigons' worden genoemd. Diamanten zijn perfect gesplitst in vier verschillende richtingen, wat betekent dat een diamant netjes langs deze richtingen zal scheiden in plaats van op een gekartelde manier te breken. De splitsingslijnen zijn het gevolg van het feit dat het diamantkristal minder chemische bindingen heeft langs het vlak van zijn octaëdrische zijde dan in andere richtingen. Diamantsnijders maken gebruik van splitsingslijnen om edelstenen te facetten.

Grafiet is slechts een paar elektronvolt stabieler dan diamant, maar de activeringsbarrière voor conversie vereist bijna net zoveel energie als het hele rooster vernietigen en opnieuw opbouwen. Daarom zal, zodra de diamant is gevormd, deze niet terug naar grafiet worden omgezet omdat de barrière te hoog is. Van diamanten wordt gezegd dat ze metastabiel zijn, omdat ze eerder kinetisch dan thermodynamisch stabiel zijn. Onder de hoge druk en temperatuuromstandigheden die nodig zijn om een ​​diamant te vormen, is de vorm ervan eigenlijk stabieler dan grafiet, en dus kunnen koolstofhoudende afzettingen gedurende miljoenen jaren langzaam kristalliseren in diamanten.