ダイヤモンドの化学と構造
ジェフリー・ハミルトン/ゲッティイメージズ
「ダイヤモンド」という言葉は、ギリシャ語の「 アダマオ 、」「私は飼いならす」または「私は征服する」または関連する単語を意味する「 アダム 「最も硬い鋼」または「最も硬い物質」を意味します。
みんな知ってる ダイヤモンド ダイヤモンドは硬くて美しいですが、ダイヤモンドはあなたが所有している可能性のある最も古い素材である可能性があることをご存知ですか?ダイヤモンドが発見された岩石は 5000 万年から 16 億年前のものである可能性がありますが、ダイヤモンド自体は約 3.3 年です。 十億 歳。この不一致は、ダイヤモンドが発見された場所で凝固して岩石になる火山マグマがダイヤモンドを作成したのではなく、ダイヤモンドを地球のマントルから地表に運んだだけであるという事実に由来します。ダイヤモンドは、高圧と高温下でも形成される可能性があります。 隕石 影響します。衝突中に形成されたダイヤモンドは比較的「若い」かもしれませんが、一部の隕石にはスターダスト (星の死からの破片) が含まれており、これにはダイヤモンドの結晶が含まれている可能性があります。そのような隕石の 1 つに、50 億年以上前の小さなダイヤモンドが含まれていることが知られています。これらのダイヤモンドは私たちよりも古いものです 太陽系 .
カーボンから始める
ダイヤモンドの化学を理解するには、元素の基本的な知識が必要です 炭素 .ニュートラルカーボン 原子 原子核には 6 つの陽子と 6 つの中性子があり、6 つの電子によってバランスが保たれています。炭素の電子殻配置は 1s22秒22p2.カーボンには 原子価 2p 軌道を満たすために 4 つの電子を受け入れることができるため、 4 つです。ダイヤモンドは、最も強い化学結合を介して他の 4 つの炭素原子に結合された炭素原子の繰り返し単位で構成されています。 共有結合 .各炭素原子は、隣接する炭素原子から等距離にある剛直な四面体ネットワーク内にあります。ダイヤモンドの構造単位は、基本的に立方体に配置された8個の原子で構成されています。このネットワークは非常に安定しており、剛性が高いため、ダイヤモンドは非常に硬く、融点が高いのです。
地球上の実質的にすべての炭素は星から来ています。ダイヤモンド中の炭素の同位体比を調べることで、炭素の歴史をたどることができます。たとえば、地球の表面では、 同位体 炭素 12 と炭素 13 はスターダストとは少し異なります。また、特定の生物学的プロセスは、質量に応じて炭素同位体を積極的に分類するため、生物に含まれる炭素の同位体比は、地球や星の同位体比とは異なります。したがって、ほとんどの天然ダイヤモンドの炭素は、マントルから最も最近に由来することが知られていますが、いくつかのダイヤモンドの炭素は、地球の地殻によってダイヤモンドに形成された微生物のリサイクルされた炭素です。 プレートテクトニクス .隕石によって生成されるいくつかの微小なダイヤモンドは、衝突の場所で利用可能な炭素からのものです。隕石内のいくつかのダイヤモンド結晶は、星からまだ新鮮です。
結晶構造
ダイヤモンドの結晶構造は、面心立方格子または FCC 格子です。各炭素原子は、正四面体 (三角柱) で他の 4 つの炭素原子に結合します。立方体の形とその高度に対称的な原子の配置に基づいて、ダイヤモンドの結晶は「晶癖」として知られるいくつかの異なる形状に発展する可能性があります。最も一般的な結晶の習慣は、八面体の八面体またはダイヤモンドの形です。ダイヤモンド結晶は、立方体、12 面体、およびこれらの形状の組み合わせを形成することもできます。 2 つの形状クラスを除いて、これらの構造は立方晶系の徴候です。 1 つの例外は、実際には複合結晶であるマクルと呼ばれる平らな形であり、もう 1 つの例外は、丸みを帯びた表面を持ち、細長い形状を持つ可能性のあるエッチングされた結晶のクラスです。本物のダイヤモンド結晶は、完全に滑らかな面を持っているわけではなく、「トライゴン」と呼ばれる隆起またはへこみのある三角形の成長をしている場合があります。ダイヤモンドは 4 つの異なる方向に完全なへき開を持っています。劈開の線は、他の方向よりも八面体面の平面に沿った化学結合が少ないダイヤモンド結晶に起因します。ダイヤモンド カッターは、ファセットへの劈開線を利用します 宝石 .
グラファイトはダイヤモンドよりも数電子ボルトだけ安定していますが、変換のための活性化バリアには、格子全体を破壊して再構築するのとほぼ同じエネルギーが必要です。したがって、ダイヤモンドが形成されると、バリアが高すぎるためグラファイトに再変換されません。ダイヤモンドは、熱力学的に安定ではなく動力学的に安定であるため、準安定であると言われています。ダイヤモンドの形成に必要な高圧と温度の条件下では、その形状はグラファイトよりも実際には安定しているため、何百万年もかけて炭素質の堆積物がゆっくりとダイヤモンドに結晶化する可能性があります。