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金剛石的化學式?金剛石結構性質?人造金剛石

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-01-22  浏覽次數:245

金剛石俗稱“金剛鑽”。也就是我們常說的鑽石的原身,它是一種由碳元素組成的礦物,是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質。金剛石的用途非常廣泛,例如:工藝品、工業中的切割工具。石墨可以在高溫、高壓下形成人造金剛石。也是貴重寶石。

中文名:金剛石外文名:diamond別稱:金剛鑽
化學式:C絕對硬度:10000-2500熔點:3550℃-4000℃

1金剛石的化學式

金剛石的化學式

金剛石(其中純淨的叫鑽石)的化學式C----4個C(碳原子),空間結構爲穩定的正三棱錐交替鏈接而成.金剛石是原子晶體,一塊金剛石是一個巨分子,N個C的聚合體。只能用它的元素符號加注釋來表示[C(金剛石)]。

鑽石就是我們常說的金剛石 ,它是一種由碳元素組成的礦物。金剛石是自然界中最堅硬的物質,因此也就具有了許多重要的工業用途,如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鑽頭、拉絲模。還被作爲很多精密儀器的部件。金剛石與石墨同屬于碳的單質。是一種具有超硬、耐磨、熱敏、傳熱導、半導體及透遠等優異的物理性能,素有“硬度之王”和寶石之王的美稱,金剛石的結晶體的角度是54度44分8秒。20世紀50年代,美國以石墨爲原料,在高溫高壓下成功制造出人造金剛石。人造金剛石已經廣泛用于生産和生活中,雖然造出大顆粒的金剛石還很困難(所以大顆粒的天然金剛石仍然價值連城),但是已經可以制成了金剛石薄膜。金剛石的結構在地球上産出的多爲正四面體,六面體與十二面體的等軸體的結構。而在空間隕落的隕石金剛石體是一種立方體的六方晶系的六軸晶相,屬六方晶系隕石金剛石。

2金剛石結構性質

金剛石結構分爲;等軸晶系四面六面體立方體與六方晶系鑽石。

在鑽石晶體中,碳原子按四面體成鍵方式互相連接,組成無限的三維骨架,是典型的原子晶體。每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵,構成正四面體。由于鑽石中的C-C鍵很強,所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成,沒有自由電子,所以鑽石不僅硬度大,熔點極高,而且不導電。在工業上,鑽石主要用于制造鑽探用的探頭和磨削工具,形狀完整的還用于制造手飾等高檔裝飾品,其價格十分昂貴。

鑽石的摩氏硬度爲10;由于在自然界物質中硬度最高,鑽石的切削和加工必須使用鑽石粉來進行。鑽石的密度爲3.52g/cm3,折射率爲2.417,色散率爲0.044。

3人造金剛石

人造金剛石

人工合成金剛石的方法主要有兩種,高溫高壓法及化學氣相沉積法。

高溫高壓法技術已非常成熟,並形成産業。國內産量極高,爲世界之最。

化學氣相沉積法仍主要存在于實驗室中。

二氧化碳逆轉變成金剛石: 國內一家單位宣稱傳在440度的低溫下即可實現這一轉變,然而相關論文一經發表即遭到他國相關領域專家的強烈質疑,而且論文存在一稿多投的現象,文中數據也有嚴重不妥。雖然相關人員在相關學術刊物中進行了答疑,此科研成果還是被質疑是國內科研造假又一案例。但是最終不了了之。

4金剛石是鑽石嗎

金剛石就是我們常說的鑽石(鑽石是它的俗稱),它是一種由純碳組成的礦物。金剛石是自然界中最堅硬的物質,因此也就具有了許多重要的工業用途,如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鑽頭、拉絲模。金剛石還被作爲很多精密儀器的部件。金剛石有各種顔色,從無色到黑色都有。它們可以是透明的,也可以是半透明或不透明。多數金剛石大多帶些黃色。金剛石的折射率非常高,色散性能也很強,這就是金剛石爲什麽會反射出五彩缤紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會發出藍綠色熒光。金剛石僅産出于金伯利岩筒中。金伯利岩是它們的原生地岩石,其他地方的金剛石都是被河流、冰川等搬運過去的。金剛石一般爲粒狀。如果將金剛石加熱到1000℃時, 它會緩慢地變成石墨。

5金剛石和石墨

金剛石和石墨

石墨和金剛石都屬于碳單質,他們的化學性質完全相同,但金剛石和石墨不是同種物質,它們是由相同元素構成的同素異型體。 所不同的是物理結構特征。

二者的化學式都是C。

石墨原子間構成正六邊形是平面結構,呈片狀。

金剛石原子間是立體的正四面體結構。

金剛石和石墨的熔點比較:

金剛石的熔點是3550℃,石墨的熔點是3652℃~3697℃(升華)。石墨熔點高于金剛石。

從片層內部來看,石墨是原子晶體;從片層之間來看,石墨是分子晶體(總體說來,石墨應該是混合型晶體);而金剛石是原子晶體。石墨晶體的熔點反而高于金剛石,似乎不可思議,但石墨晶體片層內共價鍵的鍵長是1.42×10-10m,金剛石晶體內共價鍵的鍵長是1.55×10-10m。同爲共價鍵,鍵長越小,鍵能越大,鍵越牢固,破壞它也就越難,也就需要提供更多的能量,故而熔點應該更高。 (主要就是石墨的原子晶體屬性導致它的熔點變高)

6金剛石硬度

金剛石硬度

摩氏硬度10,新摩氏硬度15,顯微硬度10000kg/mm2,顯微硬度比石英高1000倍,比剛玉高150倍。金剛石硬度具有方向性,八面體晶面硬度大于菱形十二面體晶面硬度,菱形十二面體晶面硬度大于六面體晶面硬度。

依照摩氏硬度標准(Mohs hardness scale)共分10級,鑽石(金剛石)爲最高級第10級;如小刀其硬度約爲5.5、銅幣約爲3.5至4、指甲約爲2至3、玻璃硬度爲6。

等級1滑石

等級2石膏

等級3方解石

等級4螢石

等級5磷灰石

等級6正長石

等級7石英

等級8黃玉

等級9剛玉

等級10鑽石

把任何兩種不同的礦物互相刻劃,兩者中必定會有一種受到損傷。有一種礦物,能夠劃傷其他一切礦物,卻沒有一種礦物能夠劃傷它,這就是金剛石。

金剛石爲什麽會有如此大的硬度呢?

直到18世紀後半葉,科學家才搞清楚了構成金剛石的“材料”。如前所述,早在公元1世紀的文獻中就有了關于金剛石的記載,然而,在其後的1600多年中,人們始終不知道金剛石的成分是什麽。

直到18世紀的70至90年代,才有法國化學家拉瓦錫(1743~1794)等人進行的在氧氣中燃燒金剛石的實驗,結果發現得到的是二氧化碳氣體,即一種由氧和碳結合在一起的物質。這裏的碳就來源于金剛石。終于,這些實驗證明了組成金剛石的材料是碳。

知道了金剛石的成分是碳,仍然不能解釋金剛石爲什麽有那樣大的硬度。例如,制造鉛筆芯的材料是石墨,成分也是碳,然而石墨卻是一種比人的指甲還要軟的礦物。金剛石和石墨這兩種礦物爲什麽會如此不同?

這個問題,是在1913年才由英國的物理學家威廉·布拉格和他的兒子做出回答。布拉格父子用X射線觀察金剛石,研究金剛石晶體內原子的排列方式。他們發現,在金剛石晶體內部,每一個碳原子都與周圍的4個碳原子緊密結合,形成一種致密的三維結構。這是一種在其他礦物中都未曾見到過的特殊結構。而且,這種致密的結構,使得金剛石的密度爲每立方厘米約3.5克,大約是石墨密度的1.5倍。正是這種致密的結構,使得金剛石具有最大的硬度。換句話說,金剛石是碳原子被擠壓而形成的一種礦物。

7金剛石顔色和穩定性

金剛石顔色和穩定性

金剛石顔色

金剛石有各種顔色,從無色到黑色都有,以無色的爲特佳。它們可以是透明的,也可以是半透明或不透明。許多金剛石帶些黃色,這主要是由于金剛石中含有雜質。 金剛石的折射率非常高,色散性能也很強,這就是金剛石爲什麽會反射出五彩缤紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會發出藍綠色熒光。金剛石原生礦僅産出于金伯利岩筒或少數鉀鎂煌斑岩中。金伯利岩等是它們的母岩,其他地方的金剛石都是被河流、冰川等搬運過去的。金剛石一般爲粒狀。如果將金剛石加熱到1000℃時,它會緩慢地變成石墨。

中國也擁有制造金剛石的技術,但最大也不過0.2克拉左右。

引用亞洲寶石協會(GIG)報告:金剛石的化學成分爲C,與石墨同是碳的同質多象變體。在礦物化學組成中,總含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素,並常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等雜質元素,以及碳水化合物。

金剛石礦物晶體構造屬等軸晶系同極鍵四面體型構造。碳原子位于四面體的角頂及中心,具有高度的對稱性。單位晶胞中碳原子間以同極鍵相連結,距離爲154pm。常見晶形有八面體、菱形十二面體、立方體、四面體和六八面體等。

金剛石的絕對硬度是剛玉的4倍,石英的8倍。詳細絕對硬度如下:

金剛石10000-2500

剛玉2500-2100

石英1550-1200。

礦物性脆,貝殼狀或參差狀斷口,在不大的沖擊力下會沿晶體解理面裂開,具有平行八面體的中等或完全解理,平行十二面體的不完全解理。礦物質純,密度一般爲3470-3560kg/m3。金剛石的顔色取決于純淨程度、所含雜質元素的種類和含量,極純淨者無色,一般多呈不同程度的黃、褐、灰、綠、藍、乳白和紫色等;純淨者透明,含雜質的半透明或不透明;在陰極射線、X射線和紫外線下,會發出不同的綠色、天藍、紫色、黃綠色等色的熒光;在日光曝曬後至暗室內發淡青藍色磷光;金剛光澤,少數油脂或金屬光澤,高折射率,一般爲2.40-2.48。

金剛石穩定性

金剛石化學性質穩定,具有耐酸性和耐堿性,高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用,只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融體中,或與K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸時,表面會稍有氧化;在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高溫氣體中腐蝕。

金剛石還具有非磁性、不良導電性、親油疏水性和摩擦生電性等。唯Ⅱb型金剛石具良好的半導體性能。根據金剛石的氮雜質含量和熱、電、光學性質的差異,可將金剛石分爲Ⅰ型和Ⅱ型兩類,並進一步細分爲Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四個亞類。Ⅰ型金剛石,特別是Ⅰa亞型,爲常見的普通金剛石,約占天然金剛石總量的98%。Ⅰ型金剛石均含有一定數量的氮,具有較好的導熱性、不良導電性和較好的晶形。Ⅱ型金剛石極爲罕見,含極少或幾乎不含氮,具有良好的導熱性和曲面晶體的特點。Ⅱb亞型金剛石具半導電性。由于Ⅱ型金剛石的性能優異,因此多用于空間技術和尖端工業。

世界上最大的工業用金剛石和寶石級金剛石都超過3100克拉(1克拉=200毫克)。其中寶石級金剛石的尺寸爲10×6.5×5厘米,名叫“庫利南”,1905年發現于南非的普雷米爾岩管。中國常林鑽石,重158.786克拉,于1977年被山東臨沭縣常林大隊女社員魏振芳發現,後列爲世界名鑽。世界金剛石主要産地有南非、澳大利亞、紮伊爾、博茨瓦納、俄羅斯。

9金剛石光學性質

金剛石光學性質

(1) 亮度(Brilliance)金剛石因爲具有極高的反射率,其反射臨界角較小,全反射的範圍寬,光容易發生全反射,反射光量大,從而産生很高的亮度。

(2) 閃爍(Scintillation)金剛石的閃爍就是閃光,即當金剛石或者光源、 觀察者相對移動時其表面對于白光的反射和閃光。無色透明、結晶良好的八面體或者曲面體聚形鑽石,即使不加切磨也可展露良好的閃爍光。

(3) 色散或出火(Dispersion or fire)金剛石多樣的晶面象三棱鏡一樣,能把通過折射、反射和全反射進入晶體內部的白光分解成白光的組成顔色——紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等色光。

(4) 光澤(Luster)剛石出類拔萃般堅硬的、平整光亮的晶面或解理面對于白光的反射作用特別強烈,而這種非常特征的反光作用就叫作金剛光澤。

9金剛石主要産地

金剛石主要産地

伯納特兄弟于1870年發現了金伯利金剛石礦。正是這一發現,使人們知道了在哪種岩石中有可能含有金剛石。

原來,那是一種在遠古時代的岩漿冷卻以後所形成的火山岩。接著,研究者又發現,在這種火山岩中除了金剛石,還含有被稱爲石榴石和橄榄石的兩種礦物。因此,在那些出産石榴石和橄榄石的地點,找到金剛石礦的可能性就相對大。于是,石榴石和橄榄石就成爲尋找金剛石的“指示礦物”。

根據指示礦物來尋找金剛石礦的方法並不是在哪一天突然發現的。上世紀70年代,美國史密森研究所的地球化學家約翰·賈尼在仔細研究了石榴石和金剛石之間的關系後發表了他的研究結果。但是,在那之前,即上世紀50年代,德比爾斯公司的地質人員早就根據指示礦物在世界各地尋找金剛石礦了。

世界各地都發現了金剛石礦。其中,澳大利亞、剛果、俄羅斯、博茨瓦納和南非是著名的五大金剛石産地。

美國馬薩諸塞大學的地球物理學家史蒂文·哈格蒂博士在1999年研究了世界各地含有金剛石的熔岩的年代,結果發現,這些含有金剛石的熔岩至少是在過去7個不同的時期在各地噴出的岩漿所形成的,其中最古老的熔岩則是在大約10億年前形成的。在這7個岩漿噴發時期中,以在非洲各地和巴西等地區于1.2億年前至8000萬年前噴出的岩漿中所含有的金剛石爲最多。那時正值恐龍時代極盛期的中生代白垩紀。含有金剛石的熔岩,最晚的,是在2200萬年以前噴出的岩漿形成的。至于在那以後形成的熔岩中是否含有金剛石,則還無法肯定。

1971年以來的二十年中,在中國陸續發現了幾顆50克拉以上和100克拉以上的金剛石,按發現時間的先後排列如下:

1.1971年9月25日,在江蘇省宿遷公路旁發現一顆重52.71克拉的金剛石。

2.1977年12月21日,在山東省臨沭縣常林大隊,女社員魏振芳發現1顆重158.786克拉的優質巨鑽,全透明,色淡黃,可稱金剛石的“中國之最”。被命名爲“常林鑽石”

3.1981年8月15日,在山東郯城陳埠發現一顆124.27克拉的巨粒金剛石。被命名爲“陳埠一號”。

4.1982年9月,在山東郯城陳埠發現一顆96.94克拉的金剛石。

5.1983年5月,在山東郯城陳埠發現一顆92.86克拉的金剛石。

6.1983年11月14日,在山東蒙陰發現一顆119.01克拉的巨粒金剛石,被命名爲“蒙山一號”。蒙陰金剛石礦是全國最大的原生礦。

據1987年資料,中國主要金剛石成礦區有:①遼東—吉南成礦區,有中生代和中古生代兩期金伯利岩。②魯西、蘇北、皖北成礦區,下古生代可能有多期金伯利岩。③晉、豫、冀成礦區,已在太行山、嵩山、五台山等地發現金伯利岩。④湘、黔、鄂、川成礦區,已在湖南沅水流域發現了4個具工業價值的金剛石砂礦。

湖南金剛石,産于湖南省常德丁家港、桃源、黔陽等地。湖南金剛石以砂礦爲主,主要分布在沅水流域,分布零散,品位低,但質量好,寶石級金剛石約占40%。相傳在明朝年間,湖南沅江流域就有零星的金剛石發現,大規模的尋礦則始于二十世紀五十年代。沅江整個水域均有金剛石分布,但有開采價值的僅常德丁家港、桃源縣車溪沖、溆浦縣(黔陽)新莊垅、沅陵縣窯頭等4處。

湖南金剛石的顔色深淺不一,內外顔色差異明顯,呈帶狀、斑狀分布。其褐色系列金剛石,晶體呈黃褐色,內部潔淨,表面有大量的褐色斑點,其褐斑的顔色有黃色、黃褐色、褐色、黑色等,主要分布在金剛石的溶蝕面上,褐色主要由自然界放射性粒子的輻照造成。金剛石總體顆粒小,但質地較好,以單晶爲主,約占總産量的98%;晶體比較完整,以八面體、十二面體、六八面體爲多;絕大多數晶體淺色透明或呈黃、褐色等;粒重多小于28mg,一般爲10.9~15mg;22%晶體中含包裹體;60%的晶體表面有裂紋,表面溶蝕不重。

 
 
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