金刚石|Diamond (金刚石地面)

本文目录导航：

• 金刚石（Diamond）
• 金刚石的晶胞构型

金刚石（Diamond）

【化学组成】C。

其微量元素N和B是金刚石分类的重要依据：N含量大于0.001%者为Ⅰ型，小于0.001%者为Ⅱ型；Ⅰ型金刚石按N的赋存形态分为Ⅰa型（N原子沿｛100｝汇集成片状散布）和Ⅰb型（N原子置换C原子并出现一个未配对电子旋转于C—N键之间）；Ⅱ型金刚石按能否含B分为Ⅱa型（不含B）和Ⅱb型（含B）；N散布不平均时构成混合型。

约98%的自然金刚石属Ⅰa型。

红外光谱是甄别金刚石类型的重要方法。

【晶体结构】等轴晶系；金刚石型结构（图15-13）；空间群

Fd3m；a=0.356nm；Z=8。

图15-13 金刚石型结构

碳原子散布于立方晶胞的8个角顶、6个面心和晶胞所分8个小立方体的4个相间的小立方体核心；碳原子以共价键与周围的另外4个碳原子相连，键角109°28′16″，构成四面体配位；平行｛111｝面网密度大，间距也大

图15-14 金刚石晶体

o—八面体；d—菱形十二面体；a—立方体

【外形】对称型m3m；多呈浑圆状八面体和菱形十二面体单晶，可见八面体、菱形十二面体与立方体、四六面体成聚形（图15-14）。

【物理性质】无色透明，常因含微量元素而呈不同颜色：含Cr呈天蓝色，含Al呈黄色，还可有褐、灰、白、绿、红、紫等颜色，含石墨包裹体者呈彩色；晶面金刚石光泽，断口油脂光泽；经日光暴晒后置暗室发淡青蓝色磷光。

解理｛111｝中等、｛110｝不齐全。

硬度10（显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍），八面体晶面的硬度＞菱形十二面体晶面的硬度＞立方体晶面的硬度。

相对密度3.52。

性脆，抗磨性强。

不导电。

导热性好，室温下其热导率是铜的5倍。

熔点高达4000℃，空气中熄灭温度为850～1000℃。

疏水而亲油。

【成因产状】产于金伯利岩、钾镁煌斑岩及榴辉岩中，为高温低压产物。

驰名产地有南非、扎伊尔、前苏联雅库特等。

我国有山东、辽宁、贵州等地。

【鉴定特色】浑圆粒状，金刚光泽，硬度10，暴晒后置暗室发淡青蓝色磷光。

【重要用途】金刚石的用途十分宽泛：应用宝石级金刚石光荣迷人的色泽和极高的硬度揣摩成“钻石”；应用其高硬度制造仪表轴承、玻璃刀、表镶钻头；应用其高导热性制造微波器和激光器的散热片；应用其优异的红内线穿透性制造卫星和高功率激光器的红外窗口；应用其半导体功能制造整流器、三极管，等等。

思索题及习题

1）以自然金或自然铂为例，说明自然金属元素矿物的晶体化学特色与其外形、物性的相关。

2）为什么金刚石和石墨同为单质碳的矿物，但外形、物性一模一样？

3）从石墨的结构特点解释其物性。

4）试举几种混晶矿物并剖析其组成元素的占位特点。

5）自然元素这一大类中，哪些矿物能在河流堆积物中保留并富集？它们各自有什么特点？

6）强金属钾、钠等为何不易构成自然元素矿物？

金刚石的晶胞构型

在晶体学中，金刚石结构又称为金刚石立方晶体结构(diamond cubic lattice structure)，原型是金刚石。

金刚石结构中的每个原子与相邻的4个原子构成正四面体，故单胞内原子数为5。

具备金刚石结构的晶体除了金刚石以外，还有硅、锗、α-锡等。

结构：

金刚石结构的原型是金刚石晶体，又称钻石。

在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子构成共价键，构成正四面体。

由于金刚石中的C-C键很强，所以金刚石硬度大，熔点极高；又由于一切的价电子都被限度在共价键区域，没有自在电子，所以金刚石不导电。

结构辨析：

金刚石结构与闪锌矿结构(zincblende structure)十分相似，不同之处在于，构成闪锌矿结构的两个面心立方点阵上的原子是不同种类的，例如Zn和S, 而构成金刚石结构的原子是同种类的。

闪锌矿结构的堆积率随两种原子的相对大小而变。

金刚石与石墨雷同由碳原子构成，是同素异形体。

由于碳原子的联合模式不同，两种物质的性质悬殊。

石墨中的碳原子是按sp2杂化的模式构成共价键的，在一个平面上以共价键联分解蜂窝状结构，层与层间靠比拟弱的范德华力联合。

同一层内碳原子之间的联合比金刚石还强，所以石墨的熔点比金刚石更高。

但层间联合较弱，很容易出现滑移，所以硬度很低。

石墨中碳原子的4个价电子中的3个构成共价键，另外一个价电子在晶体中构成大键，可以沿石墨层导电。

金刚石与其余的碳同素异型体之间的差异也是有碳原子联合模式的不同而惹起的。