La chimica e la struttura dei diamanti

La parola "diamante" deriva dalla parola greca "adamao,"significato" domino "o" sottometto "o la parola correlata"Adamas,"che significa" acciaio più duro "o" sostanza più dura ".

Tutti sanno che i diamanti sono duri e belli, ma sapevi che un diamante potrebbe essere il materiale più antico che potresti possedere? Mentre la roccia in cui si trovano i diamanti può avere dai 50 ai 1.600 milioni di anni, i diamanti stessi hanno circa 3,3 miliardo Anni. Questa discrepanza deriva dal fatto che il magma vulcanico che si solidifica nella roccia, dove si trovano i diamanti, non li ha creati, ma ha trasportato solo i diamanti dal mantello terrestre alla superficie. I diamanti possono anche formarsi sotto le alte pressioni e temperature nel sito di impatti meteorici. I diamanti formati durante un impatto possono essere relativamente "giovani", ma alcuni meteoriti contengono polvere di stelle - detriti dalla morte di una stella - che possono includere cristalli di diamante. Uno di questi meteoriti è noto per contenere piccoli diamanti di oltre 5 miliardi di anni. Questi diamanti sono più vecchi del nostro sistema solare.

Inizia con il carbonio

Comprendere la chimica di un diamante richiede una conoscenza di base dell'elemento carbonio. Un atomo di carbonio neutro ha sei protoni e sei neutroni nel suo nucleo, bilanciati da sei elettroni. La configurazione della calotta elettronica del carbonio è 1s²2s²2p². Il carbonio ha una valenza di quattro poiché quattro elettroni possono essere accettati per riempire l'orbitale 2p. Il diamante è costituito da unità ripetitive di atomi di carbonio uniti ad altri quattro atomi di carbonio tramite il legame chimico più forte, i legami covalenti. Ogni atomo di carbonio si trova in una rigida rete tetraedrica in cui è equidistante dai suoi atomi di carbonio vicini. L'unità strutturale del diamante è composta da otto atomi, fondamentalmente disposti in un cubo. Questa rete è molto stabile e rigida, motivo per cui i diamanti sono così duri e hanno un alto punto di fusione.

Praticamente tutto il carbonio sulla Terra viene dalle stelle. Lo studio del rapporto isotopico del carbonio in un diamante consente di tracciare la storia del carbonio. Ad esempio, sulla superficie terrestre, il rapporto tra isotopi carbonio-12 e carbonio-13 è leggermente diverso da quello di polvere di stelle. Inoltre, alcuni processi biologici ordinano attivamente gli isotopi del carbonio in base alla massa, quindi il rapporto isotopico del carbonio che è stato negli esseri viventi è diverso da quello della Terra o delle stelle. Pertanto, è noto che il carbonio per la maggior parte dei diamanti naturali proviene più di recente dal mantello, ma il carbonio per alcuni diamanti è il carbonio riciclato di microrganismi, formato in diamanti dalla crosta terrestre attraverso la tettonica a zolle. Alcuni diamanti minuti che sono generati dai meteoriti provengono dal carbonio disponibile nel sito di impatto; alcuni cristalli di diamante all'interno dei meteoriti sono ancora freschi dalle stelle.

Struttura di cristallo

La struttura cristallina di un diamante è un cubo centrato sulla faccia o un reticolo FCC. Ogni atomo di carbonio unisce altri quattro atomi di carbonio in tetraedri regolari (prismi triangolari). Basato sulla forma cubica e sulla sua disposizione altamente simmetrica di atomi, i cristalli di diamante possono svilupparsi in diverse forme, note come "abitudini di cristallo". L'abitudine di cristallo più comune è l'ottaedro a otto facce o la forma di un diamante. I cristalli di diamante possono anche formare cubi, dodecaedri e combinazioni di queste forme. Ad eccezione di due classi di forme, queste strutture sono manifestazioni del sistema di cristalli cubici. Un'eccezione è la forma piatta chiamata macle, che in realtà è un cristallo composito, e l'altra eccezione è la classe di cristalli incisi, che hanno superfici arrotondate e possono avere forme allungate. I veri cristalli di diamante non hanno facce completamente lisce ma possono avere crescite triangolari sollevate o rientrate chiamate "trigoni". I diamanti hanno una scollatura perfetta in quattro direzioni diverse, il che significa che un diamante si separerà ordinatamente lungo queste direzioni piuttosto che spezzarsi in modo frastagliato. Le linee di scissione risultano dal cristallo di diamante che ha meno legami chimici lungo il piano della sua faccia ottaedrica rispetto ad altre direzioni. Le frese diamantate sfruttano le linee di scollatura per sfaccettare le pietre preziose.

La grafite è solo pochi volt di elettroni più stabile del diamante, ma la barriera di attivazione per la conversione richiede quasi la stessa energia di distruggere l'intero reticolo e ricostruirlo. Pertanto, una volta che il diamante si è formato, non verrà riconvertito in grafite perché la barriera è troppo alta. Si dice che i diamanti siano metastabili poiché sono cineticamente piuttosto che termodinamicamente stabili. Nelle condizioni di alta pressione e temperatura necessarie per formare un diamante, la sua forma è in realtà più stabile della grafite, e quindi nel corso di milioni di anni, i depositi carboniosi possono lentamente cristallizzarsi in diamanti.