钻石属于等轴晶系,空间格子属于立方面心格子,下图为钻石的晶体结构示意图,每个晶胞中,有8个C原子分布在立方体的角顶处(A点)、6个分布在立方体面的中心(B点处),如果再将这个立方体切割成为8个小立方体,相间的立方体的中心处,存在一个C原子,因此有四个(C点)。对于钻石的结构,我们可以理解为是由四面体以角顶相连的形式存在的。
C原子之间的距离为0.154nm,立方体的边长为0.356nm,由于每个C原子可以成键4个,因此在整个钻石的结构当中,每个C原子连接4个C原子,所有的价电子都参与形成了共价键,没有自由电子的存在,钻石的性质与钻石的晶体结构密切相关,那么我们从晶体结构的角度出发,来分析钻石的物理化学性质。
一、力学性质1、钻石具有极高的硬度——钻石最典型的特征。硬度与化学键性有密切的关系,通常情况下,原子晶格的硬度要大于其他类型晶格的硬度,在原子晶格中,共价键的健强越大,则矿物的硬度越大。钻石是自然界最硬的已知矿物,相对硬度是10,但是绝对硬度却是刚玉(相对硬度为9)硬度的150倍,石英(相对硬度为7)硬度的1000倍,钻石具有如此高的硬度主要与钻石中C原子之间的化学键性较强有关。
钻石的同质多像变体最常见的就是石墨,但是石墨却是硬度却极低,与钻石的硬度截然相反,其最重要的原因就是两者之间的结构有着巨大的差异,在石墨结构的内部,一个C与三个C相互联结成键,构成层状结构,但是C有四个价电子,剩下一个自由电子,在整个片层内运动,层与层之间形成分子键,由于分子键的健强远小于C与C之间的共价键的健强,使得石墨的硬度远远低于钻石。自由电子的存在,也会让石墨具有一定的导电性,层间的健强较弱,容易发生滑动,从而可以当做一种润滑剂。
虽然说硬度可以作为一种鉴定证据,但是并不是说我们要去测量宝石的硬度,硬度测试属于有损测试,违背了珠宝鉴定的“无损”的原则,只有在不得已的时候,才会去选择测试宝石不明显的位置进行硬度的测试。
不能够直接测试宝石的硬度,但可以通过宝石的一些外观特征来进行推断,通常来讲,宝石的硬度越高,刻面型宝石的刻面棱就会越锋利,表面会更加光滑,钻石就具有这样的特征,所以说,区别仿钻与钻石很简单,就是观察宝石刻面棱就可以非常轻松的将其区分开来。看看下面这张图片,最左侧为钻石,刻面棱锋利,刻面光滑,证明宝石的硬度很高;中间为合成立方氧化锆,硬度为8左右,虽然刻面较为光滑,但依然不及钻石,并且刻面棱却非常圆滑;最右侧为玻璃,可以看到它的磨损非常严重,表明硬度很低,不可能为钻石,只能为仿钻。
钻石是自然界中已知矿物中硬度最高的,这就造成了钻石切磨的难度远大于其他种类的宝石,因此钻石的琢型经历了一个非常漫长的过程,从最开始的尖琢型(14世纪)到现在常见的圆明亮琢型(20世纪初),经历了500多年的历史。
一般情况下,切磨宝石所用材料的硬度要大于所切宝石的硬度才可以,对于硬度最高的钻石又是如何切磨的呢?秘密就在钻石的差异硬度上。矿物的硬度与晶体结构中的键力有关,根据结晶学的基础知识,面网密度越大,面网间距越大,因此面网之间的结合力就会越弱,但是面网内部的结合力就会越强,在钻石中,八面体、菱形十二面体和立方体的面网密度比值为2. 308: 1. 414: 1,八面体的面网密度最大,因此可以得出钻石的八面体方向的硬度>菱形十二面体>立方体方向。
钻石的这种差异硬度就使得这个世界上只有钻石才能够切磨钻石了,因此在钻石的切锯、抛光盘等上面镶嵌有无数个排列无规则的小钻石,在这些钻石中,总会有一些钻石的硬度要大于所切钻石方向上的硬度,从而达到切磨钻石的目的。
另外,钻石的差异硬度也导致在选择切磨钻石的时候,首选硬度最低的立方体方向,其次为菱形十二面体方向。八面体方向一般不选,硬度太大是一方面,另一方面是由于钻石具有八面体的解理,从而导致该方向上抛光难度较大。
解理面是垂直于面网之间化学键力最弱的方向产生的,平行于化学键力最强的方向,这一点我们在"原来宝石也具有强迫症,即使碎,也要碎的平整、光滑、大气"文章中为大家强调过。由于面网密度越大,面网间距越大,面网之间的结合力就会越弱,对于钻石来讲,八面体面网的密度是最大的,面网间距同样最大(立方体、菱形十二面体和八面体方向的面网间距分别为0.089nm、0.126nm和0.154nm),因此钻石的解理平行于八面体方向。
钻石的解理为钻石的切割提供了一个很好的方向,世界上最大的钻石库里南的切割,利用的就是钻石的解理,据传当钻石切磨师"约瑟夫·阿斯切"收到这颗钻石的时候,首先就是制作一个仿制品进行研究,找到钻石的解理方向,当第一刀切下去的时候,钻石纹丝不动,当场晕厥过去,醒来之后第二刀,手起刀落,钻石利落的背劈成了两块。下图就是著名的钻石切磨师"约瑟夫·阿斯切"正在举手劈下那颗著名的库里南钻石。
钻石具有中等-完全的四组解理,当受到外力的时候,容易沿着解理破裂成较为光滑的平面,因此钻石是具有脆性的,在钻石的镶嵌以及保养中,一定要小心钻石较为薄弱的腰棱、底尖等部位,操作不当,容易造成钻石损坏。另外,钻石的破裂之后的解理面是可以作为鉴定证据之一的,腰棱处解理的发育,通常称之为须状腰棱。
下图为钻石的破口处,钻石具有解理的特征使得钻石的破口处相对平整,而不是无规则分布。
钻石的解理等级为中等-完全,形成的断口形状往往呈阶梯型,在钻石的毛坯中常见该现象。
钻石以无色-黄色系列为主,其他颜色的钻石相对较少,主要是由于N是钻石中主要的杂质元素,导致钻石吸收蓝色区域的光,使得钻石形成黄色,这一点在上一篇文章中已经为大家分享了。蓝色钻石主要与钻石中的B元素有关;其他颜色的彩色钻石主要与钻石中的晶格缺陷等密切相关。下图是高温高压处理的蓝色钻石的阴极发光图像,可以看到
三组清晰、细密、发强蓝白光的CL滑移面(线)系。
钻石中的N3心会造成钻石在415.5nm处有较强的吸收线,多数钻石都会观察到这一现象,因此利用该吸收光谱可以作为钻石的鉴定证据之一。此外,钻石确认仪也是依据钻石具有该吸收线而达到快速分析钻石的目的。另外褐色的钻石常见504nm的吸收线,部分钻石可同时观察到415.5nm和504nm的吸收线。
钻石的导热性极高,甚至高于很多金属晶体,比如说金属中导热性最好的银。正是因为钻石有极高的导热率,从而可以利用热导仪对钻石进行鉴定。
钻石的极高的热导率也与钻石的结构密切相关,晶体的导热性往往与晶体中的原子振动频率有关,由于钻石的质量非常轻,并且共价键的结合力极强,原子的振动或者共振的频率非常高,每秒可高达40亿万次,这个频率是很难与热能所在的频率形成共振,因此在传导热量的过程中,不会被钻石所吸收,而是非常迅速的传过钻石。
如果小时候玩过玻璃,我们就会知道,当玻璃突然遇冷或者遇热的时候,会出现炸裂的情况,就是因为玻璃的的热膨胀率很高,当突然遇冷或者遇热的时候,体积会迅速的缩小或者膨胀,导致表面与内部不能够统一变化,导致炸裂。但是钻石不会出现这种情况,钻石热膨胀性非常低,甚至可以低到当温度突然变化的时候,对钻石的影响可以忽略不计。
热膨胀系数其实与很多因素有关,这其中包括键力(结合能)、熔点等密切相关,一般情况下,结合力越强,升高同样的温度,质点振幅增加的较少,热膨胀系数就会相应减小。刚刚我们讲到,钻石以共价键为主,所有的价电子都参与成键,结合力很强,因此钻石会具有相对较低的热膨胀系数。
钻石的这一性质是有利于钻石首饰的维修的,但是如果钻石内部存在有其他类型的矿物包裹体,若包裹体的热膨胀系数大于钻石,加热时会导致包裹体的膨胀程度大于钻石,使得钻石内部应力的出现,从而导致钻石的破裂,因此当钻石的净度较差时,或者有明显包裹体存在时,不宜加热钻石。
C原子具有4个价电子,并且在钻石中全部参与形成共价键,因此钻石的化学性质极为稳定,不溶于酸和碱,甚至王水也不能够溶解钻石,所以经常使用酸性较强的硫酸等清洗钻石。但是,这并不意味着钻石不与任何物质发生反应,热的氧化剂是可以腐蚀钻石的,例如温度在500℃以上的硝酸钾溶液,在钻石的表面形成蚀像,利用该方法可以研究钻石的结构特征。
另外,钻石是具有可燃性的,在空气中加热到850-1000℃时开始缓慢燃烧,发出浅蓝色的火焰,钻石在氧气中的燃点相对较低,为650℃。钻石的成分是C也是由钻石燃烧之后变成二氧化碳开始知道的。不过对于古代的科学家,我只能是佩服,将这么名贵的宝石燃烧,我也想看看钻石燃烧的样子,一定都是"钱"的味道。
下图是钻石与石墨的相图,通过相图我们会知道,在常温常压下钻石应该是不稳定的,应该向石墨方向转化,但是这种转化的速度极低,因此可以忽略不计,但是在绝氧的条件下对钻石加热到2000-3000摄氏度时,钻石会转变成为石墨。
纯净的钻石是不含有自由电子的,因此钻石应该为电的绝缘体,但是对于IIb型蓝色钻石而言,B原子只有三个价电子,当与C结合的时候,会导致C原子剩余一个价电子,形成自由电子,使得IIb型蓝色钻石具有导电性。
钻石具有非常明显的亲油疏水性,这一点可以应用在钻石的鉴定以及钻石矿床的开采当中。对于鉴定来讲,油性笔是可以在钻石的表面留下连续的笔迹的,在开采的过程中,利用的是沾有一层油脂的传送带运送钻石。
钻石具有这样的特点,主要是由于钻石表面的C原子总会存在一些未占用的轨道,很容易被其他物质的电子所占用,与空气中的气体结合,形成非极性的表面,但是水是极性分子,这就是造成钻石具有疏水性的原因。
晶体的对称不仅仅是外形的对称,还包括物理化学性质的对称,蚀像本身就是晶体在形成之后,当受到腐蚀、溶蚀之后,在晶面上形成的一些具有规则形状的凹坑,而晶面阶梯、生长纹等,实际上就是晶体阶梯生长的证据之一,所以晶体蚀像以及晶面台阶会受到晶体结构(面网性质)的控制,蚀像的形态特征同样符合晶体的对称规律,因此钻石的蚀像、晶面台阶以及生长纹等,恰好能够反映钻石的对称规律,也是钻石对称规律很好的外在表现。
钻石的蚀像主要出现在八面体方向上,在八面体面上,常见到倒三角的蚀像,在立方体面上,可以见到四边形的凹坑,但是凹坑的角则指向立方体晶面的边。
下图为钻石的八面体面上的生长台阶,这是按照层生长理论晶面不断向外平行推移的结果。生长层的差异很大,有的很薄,在晶面上形成等高线一样的花纹,有的则很厚,形成厚厚的生长台阶。这种生长台阶主要发育在八面体面上,并且台阶的边棱与钻石的八面体晶棱相平行。
下图为钻石菱形十二面体面上的生长脊,实际上就是钻石沿菱形晶面较短对角线的方向上发育一条隆起的线,是的菱面体晶面看上去就像两个有一定交角的三角形面。这种生长脊不是很高,若生长脊特别发育,则形成典型的四六面体单形。
好了,关于钻石的性质就分享到这里,希望对大家有所帮助。
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