Kim cương là gì nhỉ? Tại sao nó lại cứng như vậy? Đây là một câu hỏi hết sức bình thường nếu như bạn không biết gì về carbon và than chì. Trong bài viết lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học đằng sau kim cương nhé!
Giới thiệu
Từ “diamond” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “adamao,” có nghĩa là “Tôi thuần hóa” hoặc “Tôi khuất phục” hoặc từ liên quan “adamas,” có nghĩa là “thép cứng nhất” hoặc “chất cứng nhất”.
Mọi người đều biết kim cương rất cứng và đẹp, nhưng bạn có biết một viên kim cương có thể là vật liệu lâu đời nhất bạn có thể sở hữu không? Trong khi tảng đá tìm thấy kim cương có thể là 50 đến 1.600 triệu năm tuổi, thì chính những viên kim cương này đã có tuổi thọ khoảng 3,3 tỷ năm.
Sự khác biệt này xuất phát từ thực tế là magma núi lửa đông cứng thành đá, nơi tìm thấy kim cương không tạo ra chúng, mà chỉ vận chuyển những viên kim cương từ lớp phủ của Trái đất lên bề mặt. Kim cương cũng có thể hình thành dưới áp lực và nhiệt độ cao tại vị trí va chạm của thiên thạch.
Những viên kim cương hình thành trong một vụ va chạm có thể tương đối “mới”, nhưng một số thiên thạch chứa bụi sao – mảnh vụn từ cái chết của một ngôi sao – có thể bao gồm các tinh thể kim cương.
Một thiên thạch như vậy được biết có chứa những viên kim cương nhỏ hơn 5 tỷ năm tuổi. Những viên kim cương này già hơn hệ mặt trời của chúng ta!
Bắt đầu với Carbon
Hiểu về hóa học của kim cương đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản về nguyên tố carbon. Một nguyên tử carbon trung tính có 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân của nó, được cân bằng bởi 6 electron.
Cấu hình vỏ electron của carbon là 1s(2)2s(2)2p(2). Carbon có hóa trị bốn vì bốn electron có thể được chấp nhận để lấp đầy quỹ đạo 2p.
Kim cương được tạo thành từ các đơn vị lặp lại của các nguyên tử carbon được nối với bốn nguyên tử carbon khác thông qua liên kết hóa học mạnh nhất, đó chính là liên kết cộng hóa trị.
Mỗi nguyên tử carbon nằm trong một mạng tứ diện cứng, nơi nó tương đương với các nguyên tử carbon lân cận. Đơn vị cấu trúc của kim cương bao gồm tám nguyên tử, được sắp xếp một cách cơ bản trong một khối lập phương.
Mạng này rất ổn định và cứng nhắc, đó là lý do tại sao kim cương rất cứng và có điểm nóng chảy cao.
Hầu như tất cả carbon trên Trái đất đều đến từ các ngôi sao
Nghiên cứu tỷ lệ đồng vị của carbon trong kim cương giúp có thể theo dõi lịch sử của carbon. Ví dụ, ở bề mặt trái đất, tỷ lệ đồng vị carbon-12 và carbon-13 hơi khác so với bụi sao.
Ngoài ra, một số quá trình sinh học nhất định chủ động sắp xếp các đồng vị carbon theo khối lượng, do đó, tỷ lệ đồng vị của carbon có trong các sinh vật sống khác với Trái đất hoặc các ngôi sao.
Do đó, người ta biết rằng carbon cho hầu hết các viên kim cương tự nhiên gần đây nhất là từ lớp phủ, nhưng carbon cho một vài viên kim cương là carbon tái chế của vi sinh vật, được tạo thành kim cương bởi lớp vỏ trái đất thông qua mảng kiến tạo.
Một số kim cương được tạo ra bởi thiên thạch là từ carbon có sẵn tại vị trí va chạm; một số tinh thể kim cương trong thiên thạch vẫn còn mới từ các ngôi sao.
Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể của một viên kim cương là một khối lập phương tập trung vào mặt hoặc mạng tinh thể của FCC. Mỗi nguyên tử carbon kết hợp với bốn nguyên tử carbon khác trong tứ diện đều (lăng kính tam giác).
Dựa trên dạng khối và sự sắp xếp đối xứng cao của các nguyên tử, tinh thể kim cương có thể phát triển thành nhiều hình dạng khác nhau, được gọi là ‘crystal habits‘ hay dạng khoáng vật.
Những crystal habit này phổ biến nhất là hình bát diện tám mặt hoặc hình kim cương. Tinh thể kim cương cũng có thể tạo thành hình khối, hình da diện và sự kết hợp của các hình dạng này.
Ngoại trừ hai lớp hình dạng, các cấu trúc này là biểu hiện của hệ tinh thể khối. Một ngoại lệ là dạng phẳng gọi là mory, thực sự là một tinh thể hỗn hợp, và ngoại lệ khác là lớp tinh thể khắc, có bề mặt tròn và có thể có hình dạng thon dài.
Các tinh thể kim cương thật không có khuôn mặt hoàn toàn mịn màng, nhưng có thể đã tăng hoặc thụt hình tam giác được gọi là ‘trigons’.
Kim cương có sự phân tách hoàn hảo theo bốn hướng khác nhau, có nghĩa là một viên kim cương sẽ phân tách gọn gàng dọc theo các hướng này thay vì vỡ theo cách lởm chởm.
Các đường phân tách là kết quả của tinh thể kim cương có ít liên kết hóa học, dọc theo mặt phẳng của mặt bát diện của nó so với các hướng khác. Máy cắt kim cương tận dụng các đường phân tách để điêu khắc mặt.
Trên thực tế, than chì chỉ ổn định hơn một vài electron so với kim cương, nhưng hàng rào hoạt hóa hay kích thích để chuyển đổi đòi hỏi gần như nhiều năng lượng như phá hủy toàn bộ mạng tinh thể và xây dựng lại nó.
Do đó, một khi kim cương được hình thành, nó sẽ không trở lại thành than chì vì rào cản quá cao. Kim cương được cho là siêu bền vì chúng có tính động học chứ không ổn định về mặt nhiệt động.
Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao cần thiết để tạo thành kim cương, dạng của nó thực sự ổn định hơn than chì, và vì vậy trong hàng triệu năm, các lớp trầm tích có thể từ từ kết tinh thành kim cương.
Tính chất của kim cương
Kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất. Theo thang đo độ cứng Mohs thì kim cương có giá trị là ’10’ và corundum (sapphire) là ‘9’, không chứng thực đầy đủ độ cứng đáng kinh ngạc này, vì kim cương cứng hơn theo cấp số nhân so với corundum.
Kim cương cũng là chất ít nén nhất và cứng nhất. Nó là một chất dẫn nhiệt đặc biệt – tốt hơn 4 lần so với đồng – điều này có ý nghĩa đối với kim cương được gọi là ‘băng’.
Kim cương có độ giãn nở nhiệt cực thấp, trơ về mặt hóa học đối với hầu hết các axit và kiềm, trong suốt từ tia hồng ngoại xa qua tia cực tím sâu và là một trong số ít vật liệu có ái lực điện tử.
Một hậu quả của ái lực điện tử âm là kim cương đẩy nước, nhưng sẵn sàng chấp nhận hydrocarbon như sáp hoặc dầu mỡ.
Kim cương không dẫn điện tốt, mặc dù một số là chất bán dẫn. Kim cương có thể cháy nếu chịu nhiệt độ cao khi có oxy. Kim cương có trọng lượng riêng cao; nó dày đặc đáng kinh ngạc với trọng lượng nguyên tử thấp của carbon.
Độ sáng và lửa của một viên kim cương là do độ phân tán cao và chỉ số khúc xạ cao. Kim cương có độ phản xạ và chỉ số khúc xạ cao nhất của bất kỳ chất trong suốt nào.
Đá quý kim cương thường có màu trong hoặc xanh nhạt, nhưng những viên kim cương có màu, được gọi là ‘fancies’, đã được tìm thấy trong tất cả các màu của cầu vồng.
Boron, cho thêm một màu hơi xanh, và nitơ, thêm một màu vàng đúc, là tạp chất dấu vết phổ biến. Hai loại đá núi lửa có thể chứa kim cương là kimberlite và lamproite.
Tinh thể kim cương thường chứa vùi các khoáng chất khác, chẳng hạn như garnet hoặc crôm. Nhiều viên kim cương phát huỳnh quang từ xanh sang tím, đôi khi đủ mạnh để nhìn thấy dưới ánh sáng ban ngày.
Một số viên kim cương huỳnh quang màu xanh lân quang màu vàng (phát sáng trong bóng tối trong phản ứng phát sáng).
Các loại kim cương
Kim cương tự nhiên được phân loại theo loại và số lượng tạp chất được tìm thấy trong chúng thí dụ như sau:
- Loại Ia – Đây là loại kim cương tự nhiên phổ biến nhất, chứa tới 0,3% nitơ.
- Loại Ib – Rất ít kim cương tự nhiên thuộc loại này (~ 0,1%), nhưng gần như tất cả kim cương tổng hợp đều có. Kim cương loại Ib chứa tới 500 ppm nitơ.
- Loại IIa – Loại này rất hiếm trong tự nhiên. Kim cương loại IIa chứa rất ít nitơ đến nỗi nó không dễ dàng được phát hiện bằng phương pháp hấp thụ hồng ngoại hoặc tử ngoại.
- Loại IIb – Loại này cũng rất hiếm trong tự nhiên. Kim cương loại IIb chứa rất ít nitơ (thậm chí thấp hơn loại IIa) đến mức tinh thể là chất bán dẫn loại p.
Kim cương tổng hợp được tạo ra qua quá trình tổng hợp nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT). Trong quá trình tổng hợp HPHT, than chì và chất xúc tác kim loại được đặt trong máy ép thủy lực dưới nhiệt độ và áp suất cao.
Trong khoảng thời gian vài giờ, than chì chuyển thành kim cương. Những viên kim cương thu được thường có kích thước vài milimet và quá thiếu sót để sử dụng làm đá quý, nhưng chúng cực kỳ hữu ích như các cạnh trên công cụ cắt và mũi khoan và được nén để tạo áp lực rất cao.
Mặc dù được sử dụng để cắt, mài và đánh bóng nhiều vật liệu, kim cương không được sử dụng để gia công hợp kim sắt vì kim cương bị mài mòn rất nhanh, do phản ứng nhiệt độ cao giữa sắt và carbon.
Kim cương dạng màng mỏng: được tạo ra thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD), sử dụng để lắng đọng các màng mỏng của kim cương đa tinh thể. Công nghệ CVD cho phép phủ lớp phủ “không mòn” lên các bộ phận của máy, để tản nhiệt từ các linh kiện điện tử, và tận dụng các tính chất khác của kim cương,.
Trên đây là một vài điều thú vị về kim cương. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn trong tương lai. Lần sau nếu ai hỏi về kim cương thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
Tham khảo Thoughtco, Chemistryislife, Compound Interest và Wikipedia.
