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金刚石的性质_百度文库

admin 人造钻石 2021年08月14日

  金刚石的性质 金刚石的物理性质 金刚石的莫氏硬度为 10;由于硬度最高, 金刚石的切削和加工必须使用钻石粉或 激光(比如 532nm 或者 1064nm 波长激光)来进行。 金刚石的密度为 3.52g/cm3, 折射率为 2.417(在 500 纳米光波下),色散率为 0.044。 金刚石的化学性质 金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体 ,是 指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体,其成分为纯碳,由碳原子以四 价键链接,为目前已知自然存在最硬物质。由于金刚石中的 C-C 键很强,所有的价 电子都参与了共价键的形成 ,没有自由电子 ,所以 金刚石硬度非常大 ,熔点在华氏 6900 度,金刚石在纯氧中燃点为 720~800℃,在空气中为 850~1000℃,而且不导 电。 金刚石俗称 “金刚钻” 。 也就是我们常说的钻石的原身, 它是一种由碳元素组成的矿物, 是碳元素的同素异形体。 金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。 金刚石的用途非常广 泛,例如:工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵 重宝石。 中文名:金刚石 化学式:C 外文名:diamond 绝对硬度:10000-2500 别称:金刚钻 熔点:3550℃-4000℃ 1 金刚石的化学式 金刚石(其中纯净的叫钻石)的化学式 C----4 个 C(碳原子),空间结构为稳定的正三棱 锥交替链接而成.金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子,N 个 C 的聚合体。只能用 它的元素符号加注释来表示[C(金刚石)]。 钻石就是我们常说的金刚石 ,它是一种由碳元素组成的矿物。金刚石是自然界中最坚 硬的物质,因此也就具有了许多重要的工业用途,如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻 头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。金刚石与石墨同属于碳的单质。是一种具有超 硬、耐磨、热敏、传热导、半导体及透远等优异的物理性能,素有“硬度之王”和宝石之王 的美称,金刚石的结晶体的角度是 54 度 44 分 8 秒。20 世纪 50 年代,美国以石墨为原料, 在高温高压下成功制造出人造金刚石。 人造金刚石已经广泛用于生产和生活中, 虽然造出大 颗粒的金刚石还很困难(所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城),但是已经可以制成了金 刚石薄膜。 金刚石的结构在地球上产出的多为正四面体, 六面体与十二面体的等轴体的结构。 而在空间陨落的陨石金刚石体是一种立方体的六方晶系的六轴晶相, 属六方晶系陨石金刚石。 2 金刚石结构性质 金刚石结构分为;等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。 在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原 子晶体。每个碳原子都以 SP3 杂化轨道与另外 4 个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于 钻石中的 C-C 键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石 不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。在工业上,钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工 具,形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品,其价格十分昂贵。 钻石的摩氏硬度为 10;由于在自然界物质中硬度最高,钻石的切削和加工必须使用钻 石粉来进行。钻石的密度为 3.52g/cm3,折射率为 2.417,色散率为 0.044。 3 人造金刚石 人工合成金刚石的方法主要有两种,高温高压法及化学气相沉积法。 高温高压法技术已非常成熟,并形成产业。国内产量极高,为世界之最。 化学气相沉积法仍主要存在于实验室中。 二氧化碳逆转变成金刚石: 国内一家单位宣称传在 440 度的低温下即可实现这一转变, 然而相关论文一经发表即遭到他国相关领域专家的强烈质疑, 而且论文存在一稿多投的现象, 文中数据也有严重不妥。 虽然相关人员在相关学术刊物中进行了答疑, 此科研成果还是被质 疑是国内科研造假又一案例。但是最终不了了之。 4 金刚石是钻石吗 金刚石就是我们常说的钻石(钻石是它的俗称),它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石 是自然界中最坚硬的物质,因此也就具有了许多重要的工业用途,如精细研磨材料、高硬切 割工具、各类钻头、拉丝模。金刚石还被作为很多精密仪器的部件。金刚石有各种颜色,从 无色到黑色都有。 它们可以是透明的, 也可以是半透明或不透明。 多数金刚石大多带些黄色。 金刚石的折射率非常高, 色散性能也很强, 这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原 因。金刚石在 X 射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石仅产出于金伯利岩筒中。金伯利岩是 它们的原生地岩石, 其他地方的金刚石都是被河流、 冰川等搬运过去的。 金刚石一般为粒状。 如果将金刚石加热到 1000℃时, 它会缓慢地变成石墨。 5 金刚石和石墨 石墨和金刚石都属于碳单质, 他们的化学性质完全相同, 但金刚石和石墨不是同种物质, 它们是由相同元素构成的同素异型体。 所不同的是物理结构特征。 二者的化学式都是 C。 石墨原子间构成正六边形是平面结构,呈片状。 金刚石原子间是立体的正四面体结构。 金刚石和石墨的熔点比较: 金刚石的熔点是 3550℃, 石墨的熔点是 3652℃~3697℃(升华)。 石墨熔点高于金刚石。 从片层内部来看,石墨是原子晶体;从片层之间来看,石墨是分子晶体(总体说来,石 墨应该是混合型晶体);而金刚石是原子晶体。石墨晶体的熔点反而高于金刚石,似乎不可 思议,但石墨晶体片层内共价键的键长是 1.42×10-10m,金刚石晶体内共价键的键长是 1.55×10-10m。同为共价键,键长越小,键能越大,键越牢固,破坏它也就越难,也就需 要提供更多的能量, 故而熔点应该更高。(主要就是石墨的原子晶体属性导致它的熔点变高) 6 金刚石硬度 摩氏硬度 10,新摩氏硬度 15,显微硬度 10000kg/mm2,显微硬度比石英高 1000 倍,比 刚玉高 150 倍。金刚石硬度具有方向性,八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度,菱形 十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。 依照摩氏硬度标准(Mohs hardness scale)共分 10 级, 钻石(金刚石)为最高级第 10 级; 如小刀其硬度约为 5.5、铜币约为 3.5 至 4、指甲约为 2 至 3、玻璃硬度为 6。 等级 1 滑石 等级 2 石膏 等级 3 方解石 等级 4 萤石 等级 5 磷灰石 等级 6 正长石 等级 7 石英 等级 8 黄玉 等级 9 刚玉 等级 10 钻石 把任何两种不同的矿物互相刻划,两者中必定会有一种受到损伤。有一种矿物,能够划 伤其他一切矿物,却没有一种矿物能够划伤它,这就是金刚石。 金刚石为什么会有如此大的硬度呢? 直到 18 世纪后半叶,科学家才搞清楚了构成金刚石的“材料”。如前所述,早在公元 1 世纪的文献中就有了关于金刚石的记载,然而,在其后的 1600 多年中,人们始终不知道 金刚石的成分是什么。 直到 18 世纪的 70 至 90 年代,才有法国化学家拉瓦锡(1743~1794)等人进行的在氧气 中燃烧金刚石的实验, 结果发现得到的是二氧化碳气体, 即一种由氧和碳结合在一起的物质。 这里的碳就来源于金刚石。终于,这些实验证明了组成金刚石的材料是碳。 知道了金刚石的成分是碳,仍然不能解释金刚石为什么有那样大的硬度。例如,制造铅 笔芯的材料是石墨,成分也是碳,然而石墨却是一种比人的指甲还要软的矿物。金刚石和石 墨这两种矿物为什么会如此不同? 这个问题,是在 1913 年才由英国的物理学家威廉·布拉格和他的儿子做出回答。布拉 格父子用 X 射线观察金刚石,研究金刚石晶体内原子的排列方式。他们发现,在金刚石晶体 内部,每一个碳原子都与周围的 4 个碳原子紧密结合,形成一种致密的三维结构。这是一种 在其他矿物中都未曾见到过的特殊结构。而且,这种致密的结构,使得金刚石的密度为每立 方厘米约 3.5 克,大约是石墨密度的 1.5 倍。正是这种致密的结构,使得金刚石具有最大的 硬度。换句话说,金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。 7 金刚石颜色和稳定性 金刚石颜色 金刚石有各种颜色,从无色到黑色都有,以无色的为特佳。它们可以是透明的,也可以 是半透明或不透明。许多金刚石带些黄色,这主要是由于金刚石中含有杂质。 金刚石的折 射率非常高,色散性能也很强,这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石 在 X 射线照射下会发出蓝绿色荧光。 金刚石原生矿仅产出于金伯利岩筒或少数钾镁煌斑岩中。 金伯利岩等是它们的母岩,其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般 为粒状。如果将金刚石加热到 1000℃时,它会缓慢地变成石墨。 中国也拥有制造金刚石的技术,但最大也不过 0.2 克拉左右。 引用亚洲宝石协会(GIG)报告:金刚石的化学成分为 C,与石墨同是碳的同质多象变 体。在矿物化学组成中,总含有 Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni 等元素,并常含有 Na、B、Cu、 Fe、Co、Cr、Ti、N 等杂质元素,以及碳水化合物。 金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。 碳原子位于四面体的角顶及中心, 具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结,距离为 154pm。常见晶形有八面 体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。 金刚石的绝对硬度是刚玉的 4 倍,石英的 8 倍。详细绝对硬度如下: 金刚石 10000-2500 刚玉 2500-2100 石英 1550-1200。 矿物性脆,贝壳状或参差状断口,在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开,具有平行八 面体的中等或完全解理,平行十二面体的不完全解理。矿物质纯,密度一般为 3470-3560kg/m3。金刚石的颜色取决于纯净程度、所含杂质元素的种类和含量,极纯净者无 色,一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等;纯净者透明,含杂质的半透 明或不透明;在阴极射线、X 射线和紫外线下,会发出不同的绿色、天蓝、紫色、黄绿色等 色的荧光;在日光曝晒后至暗室内发淡青蓝色磷光;金刚光泽,少数油脂或金属光泽,高折 射率,一般为 2.40-2.48。 金刚石稳定性 金刚石化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性,高温下不与浓 HF、HCl、HNO3 作用,只在 Na2CO3、NaNO3、KNO3 的熔融体中,或与 K2Cr2O7 和 H2SO4 的混合物一起煮沸时,表面会稍 有氧化;在 O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4 的高温气体中腐蚀。 金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯Ⅱb 型金刚石具良 好的半导体性能。根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异,可将金刚石分为Ⅰ 型和Ⅱ型两类,并进一步细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb 四个亚类。Ⅰ型金刚石,特别是Ⅰa 亚型, 为常见的普通金刚石, 约占天然金刚石总量的 98%。 Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮, 具有较好的导热性、 不良导电性和较好的晶形。 Ⅱ型金刚石极为罕见, 含极少或几乎不含氮, 具有良好的导热性和曲面晶体的特点。Ⅱb 亚型金刚石具半导电性。由于Ⅱ型金刚石的性能 优异,因此多用于空间技术和尖端工业。 世界上最大的工业用金刚石和宝石级金刚石都超过 3100 克拉(1 克拉=200 毫克)。其 中宝石级金刚石的尺寸为 10×6.5×5 厘米,名叫“库利南”,1905 年发现于南非的普雷米 尔岩管。中国常林钻石,重 158.786 克拉,于 1977 年被山东临沭县常林大队女社员魏振芳 发现,后列为世界名钻。世界金刚石主要产地有南非、澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗 斯。 9 金刚石光学性质 (1) 亮度(Brilliance)金刚石因为具有极高的反射率,其反射临界角较小,全反射的 范围宽,光容易发生全反射,反射光量大,从而产生很高的亮度。 (2) 闪烁(Scintillation)金刚石的闪烁就是闪光,即当金刚石或者光源、 观察者相 对移动时其表面对于白光的反射和闪光。 无色透明、 结晶良好的八面体或者曲面体聚形钻石, 即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。 (3) 色散或出火(Dispersion or fire)金刚石多样的晶面象三棱镜一样,能把通过折 射、 反射和全反射进入晶体内部的白光分解成白光的组成颜色——红、 橙、 黄、 绿、 蓝、 靛、 紫等色光。 (4) 光泽(Luster)刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射 作用特别强烈,而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽。 9 金刚石主要产地 伯纳特兄弟于 1870 年发现了金伯利金刚石矿。正是这一发现,使人们知道了在哪种岩 石中有可能含有金刚石。 原来,那是一种在远古时代的岩浆冷却以后所形成的火山岩。接着,研究者又发现,在 这种火山岩中除了金刚石,还含有被称为石榴石和橄榄石的两种矿物。因此,在那些出产石 榴石和橄榄石的地点,找到金刚石矿的可能性就相对大。于是,石榴石和橄榄石就成为寻找 金刚石的“指示矿物”。 根据指示矿物来寻找金刚石矿的方法并不是在哪一天突然发现的。上世纪 70 年代,美 国史密森研究所的地球化学家约翰· 贾尼在仔细研究了石榴石和金刚石之间的关系后发表了 他的研究结果。但是,在那之前,即上世纪 50 年代,德比尔斯公司的地质人员早就根据指 示矿物在世界各地寻找金刚石矿了。 世界各地都发现了金刚石矿。其中,澳大利亚、刚果、俄罗斯、博茨瓦纳和南非是著名 的五大金刚石产地。 美国马萨诸塞大学的地球物理学家史蒂文·哈格蒂博士在 1999 年研究了世界各地含有 金刚石的熔岩的年代, 结果发现, 这些含有金刚石的熔岩至少是在过去 7 个不同的时期在各 地喷出的岩浆所形成的,其中最古老的熔岩则是在大约 10 亿年前形成的。在这 7 个岩浆喷 发时期中,以在非洲各地和巴西等地区于 1.2 亿年前至 8000 万年前喷出的岩浆中所含有的 金刚石为最多。那时正值恐龙时代极盛期的中生代白垩纪。含有金刚石的熔岩,最晚的,是 在 2200 万年以前喷出的岩浆形成的。至于在那以后形成的熔岩中是否含有金刚石,则还无 法肯定。 1971 年以来的二十年中, 在中国陆续发现了几颗 50 克拉以上和 100 克拉以上的金刚石, 按发现时间的先后排列如下: 1.1971 年 9 月 25 日,在江苏省宿迁公路旁发现一颗重 52.71 克拉的金刚石。 2.1977 年 12 月 21 日,在山东省临沭县常林大队,女社员魏振芳发现 1 颗重 158.786 克拉的优质巨钻,全透明,色淡黄,可称金刚石的“中国之最”。被命名为“常林钻石” 3.1981 年 8 月 15 日,在山东郯城陈埠发现一颗 124.27 克拉的巨粒金刚石。被命名 为“陈埠一号”。 4.1982 年 9 月,在山东郯城陈埠发现一颗 96.94 克拉的金刚石。 5.1983 年 5 月,在山东郯城陈埠发现一颗 92.86 克拉的金刚石。 6. 1983 年 11 月 14 日, 在山东蒙阴发现一颗 119. 01 克拉的巨粒金刚石, 被命名为 “蒙 山一号”。蒙阴金刚石矿是全国最大的原生矿。 据 1987 年资料,中国主要金刚石成矿区有:①辽东—吉南成矿区,有中生代和中古生 代两期金伯利岩。②鲁西、苏北、皖北成矿区,下古生代可能有多期金伯利岩。③晋、豫、 冀成矿区,已在太行山、嵩山、五台山等地发现金伯利岩。④湘、黔、鄂、川成矿区,已在 湖南沅水流域发现了 4 个具工业价值的金刚石砂矿。 湖南金刚石,产于湖南省常德丁家港、桃源、黔阳等地。湖南金刚石以砂矿为主,主要 分布在沅水流域, 分布零散, 品位低, 但质量好, 宝石级金刚石约占 40%。 相传在明朝年间, 湖南沅江流域就有零星的金刚石发现, 大规模的寻矿则始于二十世纪五十年代。 沅江整个水 域均有金刚石分布, 但有开采价值的仅常德丁家港、 桃源县车溪冲、 溆浦县 (黔阳) 新庄垅、 沅陵县窑头等 4 处。 湖南金刚石的颜色深浅不一,内外颜色差异明显,呈带状、斑状分布。其褐色系列金刚 石,晶体呈黄褐色,内部洁净,表面有大量的褐色斑点,其褐斑的颜色有黄色、黄褐色、褐 色、黑色等,主要分布在金刚石的溶蚀面上,褐色主要由自然界放射性粒子的辐照造成。金 刚石总体颗粒小, 但质地较好, 以单晶为主, 约占总产量的 98%; 晶体比较完整, 以八面体、 十二面体、六八面体为多;绝大多数晶体浅色透明或呈黄、褐色等;粒重多小于 28mg,一 般为 10.9~15mg;22%晶体中含包裹体;60%的晶体表面有裂纹,表面溶蚀不重。


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