Tính chất vật lí và hóa học của than và kim cương là gì?

Tính chất của Kim cương

Kim cương là một tinh thể không màu gồm cacbon nguyên chất trong đó một nguyên tử cacbon đều có liên kết với 4 nguyên tử cacbon khác gần đó nhất. Chúng ta sử dụng kim cương vì những tính chất vật lý vô cùng quý giá của chúng. Một trong số đó là độ cứng rất cao, độ tán xạ tốt, cách nhiệt cao. Những tính chất trên là những tính chất cơ bản trong những lĩnh vực có sử dụng kim cương.

1. Tính chất vật lý

1.1. Cấu trúc tinh thể

Tinh thể có cấu trúc lập phương nên có tính đối xứng cao và chứa những nguyên tử cacbon bậc 4. Vì có một nguyên tử cacbon liên kết với 4 nguyên tử cacbon gần nhất nên kim cương có rất nhiều tính chất riêng. Than chì, một dạng thù hình khác của cacbon, có một cấu trúc tinh thể hình bình hành khiến cho chúng có những tính chất vật lý khác hẳn so với kim cương. Than chì là một chất mềm, màu xám, đục. Một nguyên tố khác trong nhóm cacbon là silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương. Khối lượng riêng của kim cương là 3,52 g/cm³.

Lonsdaleite cũng là một dạng thù hình của kim cương nhưng được tìm thấy ở những nơi khác có cấu trúc lục giác. Chúng rất khó tìm thấy trong tự nhiên nhưng đó chính là bản chất của kim cương nhân tạo. Một dạng tinh thể kì dị khác của kim cương là carbondo, dạng kim cương không màu, hay có màu xám hoặc đen với cấu trúc tinh thể rất nhỏ gọi là spherulite.

1.2. Độ cứng

Độ cứng của kim cương giúp phân biệt nó với than chì

Kim cương là vật chất cứng nhất được tìm thấy trong tự nhiên, với độ cứng là 10 trong thang độ cứng Mohs cho các khoáng vật. Kim cương còn chịu được áp suất giữa 167 và 231 gigaPascal trong những đợt kiểm tra khác nhau. Điều này đã được biết đến từ rất lâu, và đó chính là nguồn gốc của tên gọi "kim cương". Tuy nhiên, cacbon dạng lồng, một dạng thù hình của kim cương được điều chế vào năm 2005 được tin là còn cứng hơn cả kim cương.


Những viên kim cương cứng nhất được tìm thấy ở vùng New England của bang New South Wales (Úc). Những viên kim cương này thường nhỏ, dùng để đánh bóng những viên kim cương khác. Độ cứng của chúng được xác định dựa vào điều kiện hình thành nên chúng. Viên kim cương cứng nhất khi chúng được hình thành chỉ trải qua một giai đoạn. Những viên kim cương khác do hình thành qua nhiều giai đoạn nên tạo thành những lớp, vết khiến độ cứng kim cương giảm (Taylor, 1990).

Ngành công nghiệp sử dụng kim cương có từ rất lâu vì tính chất cứng rắn của chúng. Nó là khoáng vật có giá trị cao nhất trong hơn 3.000 mẫu khoáng vật mà con người biết đến. Vì là vật chất cứng rắn nhất trong thiên nhiên, kim cương được dùng để đánh bóng, cắt mọi bề mặt, ngay cả một viên kim cương khác. Các ngành công nghiệp thông thường dùng kim cương như là một mũi khoan, lưỡi cưa hay bột mài. Một ứng dụng rất có triển vọng là làm chất bán dẫn: một số viên kim cương có màu xanh lam chính là chất bán dẫn thiên nhiên, trái ngược với các loại kim cương có màu khác là những chất cách điện tốt. Những viên kim cương nhân tạo dùng trong công nghiệp không phù hợp với việc làm trang sức nhưng có ưu điểm là làm giảm giá thành sản phẩm. Ngay từ thời cổ đại người ta đã biết dùng kim cương làm các mũi khoan và làm dụng cụ khắc chữ.

Độ cứng của kim cương cũng khiến cho nó phù hợp hơn với vai trò của một món trang sức. Bởi vì nó chỉ có thể bị làm trầy bởi một viên kim cương khác nên nó luôn luôn sáng bóng qua thời gian. Khác với những loại đá quý khác chỉ có thể mang vào những dịp đặc biệt, kim cương phù hợp với trang phục thường ngày vì chúng rất khó bị trầy xước. Do đó, trên những chiếc nhẫn đính hôn hay nhẫn cưới, người ta thường đính kim cương lên, và những tập đoàn nữ trang hàng đầu thế giới vẫn luôn hô hào khẩu hiệu "diamonds is forever" để quảng cáo rầm rộ cho trang sức đính kim cương.

1.3. Độ giòn

Khác với độ cứng, chỉ khả năng chống lại những vết trầy xước, độ giòn của kim cương chỉ từ trung bình khá đến tốt. Độ giòn chỉ khả năng khó bị vỡ của vật liệu. Độ giòn của kim cương một phần là do cấu trúc tinh thể của kim cương không chống chịu tốt lắm. Kim cương do đó cũng dễ bị vỡ hơn so với một số vật liệu khác, và câu chuyện lưu truyền về việc kiểm định kim cương bằng đe và búa của vua chúa xưa chỉ là truyền thuyết.

1.4. Màu sắc

Kim cương có rất nhiều màu sắc: không màu, xanh dương, xanh lá cây, cam, đỏ, tía, hồng, vàng, nâu và cả đen. Những viên kim cương có những vệt màu sáng được gọi là những viên kim cương màu. Nếu viên kim cương có màu rất đậm, chúng sẽ được gọi là "có màu sắc rực rỡ". Kim cương có màu là loại kim cương chứa một lượng nhỏ tạp chất, do trong cấu trúc của nó, một nguyên tử cacbon bất kỳ trong mạng tinh thể bị thay thế bởi một nguyên tử của nguyên tố khác. Thông thường nguyên tố đó là nitơ khiến cho kim cương có màu vàng. Nguyên tử kim cương nguyên chất không có màu. Kim cương có độ màu cực trắng sẽ được đánh giá là loại D, còn thấp nhất là Z, chỉ viên kim cương có màu hơi vàng ngả sang nâu.

1.5. Độ bền nhiệt độ

Ở áp suất khí quyển (1 atm) kim cương không ổn định có tính chất giống như như than chì có thể bị phân hủy. (ΔG = −2.99 kJ / mol). Kim cương sẽ cháy ở khoảng 800 °C, nếu có đủ ôxy. Điều này được miêu tả vào cuối thế kỷ 18 nhưng cũng tìm thấy được trong những cuốn sách cổ thời La Mã. Nhưng, do có một hàng rào động năng lớn, kim cương gần như không phân hủy. Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất bình thường thì một viên kim cương chỉ có thể bị biến thành than chì sau một khoảng thời gian bằng khoảng thời gian để vũ trụ hình thành cho tới nay (15 tỷ năm).

2. Phương diện điện từ

Kim cương tán xạ tốt với ánh sáng thường

2.1. Tính chất quang học

Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bước sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cương biến những tia sáng trắng thành những màu sắc, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cương khi là một món trang sức.

Chiết suất cao của kim cương, vào khoảng 2,417, lớn hơn so với 1,5 của các thủy tinh thông thường, cũng dễ làm xuất hiện sự phản xạ toàn phần trên mặt trong của kim cương tạo độ lấp lánh. Độ lấp lánh của viên kim cương, đặc trưng cho cách ánh sáng tác động lên một viên kim cương, thường được miêu tả là "adamantine".

Một số viên kim cương có phát xạ ánh sáng (hầu hết là màu xanh dương) dưới tia cực tím, một số có màu đỏ tía. Hầu hết các viên kim cương phát xạ ánh sáng xanh trắng, vàng hay xanh lá cây dưới tác dụng của tia X và dùng trong khai mỏ để tách riêng kim cương có khả năng phát sáng và những viên đá bình thường khác không có khả năng này. Trong điều kiện thường, hầu hết các viên kim cương đều không phát ánh sáng, trừ ánh sáng xanh dương mặc dù các loại kim cương màu có thể phát quang nhiều màu hơn.

2.2. Tính chất điện

Ngoại trừ kim cương xanh dương vốn là một chất bán dẫn, mọi loại kim cương còn lại là chất cách điện tốt. Nguyên nhân là do trong phân tử kim cương xanh dương có chứa nguyên tử bo tạp chất, là một chất cho điện tử và tạo ra một chất bán dẫn loại p. Tuy nhiên, các loại kim cương màu xanh dương không chứa tạp chất bo, như loại khai thác ở mỏ kim cương Argyle tại Úc, có màu như vậy là do chứa nhiều hiđrô nên là một chất cách điện.

2.3. Tính chất nhiệt

Không giống như những chất cách điện tốt khác, kim cương là một chất truyền nhiệt tốt bởi vì các nguyên tử được liên kết chặt chẽ với nhau. Hầu hết các viên kim cương xanh có chứa bo thay thế cho cacbon trong mạng nguyên tử cũng có khả năng truyền nhiệt cao. Một viên kim cương nhân tạo nguyên chất có hệ số truyền nhiệt vào khoảng 2.000-2.500 W/(m.K), cao gấp 4 đến 5 lần so với đồng và là cao nhất trong tất cả những chất đã được biết trong nhiệt độ phòng. Do đó, người ta dùng nó trong những thiết bị bán dẫn để giúp cho silic và các vật liệu bán dẫn khác không bị quá nóng. Mức năng lượng các lỗ trống trên kim cương vào khoảng 5,4-6,4 eV.