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Die Kohlenstoffchemie und Kristallstruktur von Diamanten

Das Wort „Diamant“ leitet sich vom griechischen Wort “ adamao “ ab und bedeutet „ich zähme “ oder „ich unterwerfe“ oder das verwandte Wort “ adamas“ , was „härtester Stahl“ oder „härteste Substanz“ bedeutet.

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 Milliarden Jahre alt. Diese Diskrepanz beruht auf der Tatsache, dass das vulkanische Magma, das sich zu Gestein verfestigt, wo Diamanten gefunden werden, diese nicht erzeugt, sondern nur die Diamanten vom Erdmantel an die Oberfläche transportiert hat. Diamanten können sich auch unter den hohen Drücken und Temperaturen am Ort des Meteoriteneinschlags bilden. Die während eines Aufpralls gebildeten Diamanten mögen relativ „jung“ sein, aber einige Meteoriten enthalten Sternenstaub – Trümmer vom Tod eines Sterns – die Diamantkristalle enthalten können. Es ist bekannt, dass ein solcher Meteorit winzige Diamanten enthält, die älter als 5 Milliarden Jahre sind. Diese Diamanten sind älter als unser Sonnensystem .

Beginnen Sie mit Carbon

Um die Chemie eines Diamanten zu verstehen, sind Grundkenntnisse des Elements Kohlenstoff erforderlich . Ein neutrales Kohlenstoffatom hat sechs Protonen und sechs Neutronen in seinem Kern, ausgeglichen durch sechs Elektronen. Die Elektronenhüllenkonfiguration von Kohlenstoff beträgt 1s 2 2s 2 2p 2 . 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, in dem es von seinen benachbarten Kohlenstoffatomen gleich weit entfernt ist. 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 stammt von den Sternen. Die Untersuchung 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 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 zuletzt aus dem Mantel stammt, aber der Kohlenstoff für einige Diamanten ist der recycelte Kohlenstoff von Mikroorganismen, der von der Erdkruste über Plattentektonik zu Diamanten geformt wird . Einige winzige Diamanten, die von Meteoriten erzeugt werden, stammen aus Kohlenstoff, der am Ort des Aufpralls verfügbar ist. Einige Diamantkristalle in Meteoriten sind noch frisch von den Sternen.

Kristallstruktur

Die Kristallstruktur eines Diamanten ist ein flächenzentriertes kubisches oder FCC-Gitter. Jedes Kohlenstoffatom verbindet vier andere Kohlenstoffatome in regulären Tetraedern (Dreiecksprismen). Aufgrund der kubischen Form und ihrer hochsymmetrischen Anordnung der Atome können sich Diamantkristalle zu verschiedenen Formen entwickeln, die als „Kristallgewohnheiten“ bezeichnet werden. Die häufigste Kristallform ist die achtseitige 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 haben und längliche Formen haben können. Echte Diamantkristalle haben keine vollständig glatten Flächen, können jedoch 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 trennt, anstatt gezackt zu brechen. Die Spaltlinien resultieren daraus, dass der Diamantkristall entlang der Ebene seiner Oktaederfläche weniger chemische Bindungen aufweist als in anderen Richtungen. Diamantschneider in Anspruch nehmen Spaltlinien zu Facette Edelsteinen .

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, wandelt er sich daher nicht mehr in Graphit um, da die Barriere zu hoch ist. Diamanten sollen metastabil sein, da sie eher kinetisch als thermodynamisch stabil sind. Unter den Hochdruck- und Temperaturbedingungen, 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.

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