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金剛石俗稱“金剛鉆”。也就是我們常說的鉆石的原身,它是一種由碳元素組成的礦物,是石墨的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。金剛石的用途非常廣泛,例如:工藝品、工業(yè)中的切割工具。石墨可以在高溫、高壓下形成人造金剛石。也是貴重寶石。
一、化學(xué)性質(zhì)
金剛石是在地球深部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素組成的單質(zhì)晶體。金剛石是無色正八面體晶體,其成分為純碳,由碳原子以四價(jià)鍵鏈接,為已知自然存在最硬物質(zhì)。由于金剛石中的C-C鍵很強(qiáng),所有的價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成,沒有自由電子,所以金剛石硬度非常大,熔點(diǎn)在華氏6900度,金剛石在純氧中燃點(diǎn)為720~800℃,在空氣中為850~1000℃,而且不導(dǎo)電。
二、結(jié)構(gòu)性質(zhì)
金剛石結(jié)構(gòu)分為;等軸晶系四面六面體立方體與六方晶系。
在金剛石晶體中,碳原子按四面體成鍵方式互相連接,組成無限的三維骨架,是典型的原子晶體。每個(gè)碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵,構(gòu)成正四面體。由于金剛石中的C-C鍵很強(qiáng),所以所有的價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成,沒有自由電子,所以金剛石不僅硬度大,熔點(diǎn)極高,而且不導(dǎo)電。在工業(yè)上,金剛石主要用于制造鉆探用的探頭和磨削工具,形狀完整的還用于制造手飾等高檔裝飾品,其價(jià)格十分昂貴。
金剛石的摩氏硬度為10;由于在自然界物質(zhì)中硬度最高,金剛石的切削和加工必須使用金剛石粉來進(jìn)行。金剛石的密度為3.52g/立方厘米,折射率為2.417,色散率為0.044。
三、光學(xué)性質(zhì)
(1) 亮度,金剛石因?yàn)榫哂袠O高的反射率,其反射臨界角較小,全反射的范圍寬,光容易發(fā)生全反射,反射光量大,從而產(chǎn)生很高的亮度。
(2) 閃爍,金剛石的閃爍就是閃光,即當(dāng)金剛石或者光源、 觀察者相對(duì)移動(dòng)時(shí)其表面對(duì)于白光的反射和閃光。無色透明、結(jié)晶良好的八面體或者曲面體聚形金剛石,即使不加切磨也可展露良好的閃爍光。
(3) 色散或出火,金剛石多樣的晶面象三棱鏡一樣,能把通過折射、反射和全反射進(jìn)入晶體內(nèi)部的白光分解成白光的組成顏色——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等色光。
(4) 光澤,剛石出類拔萃般堅(jiān)硬的、平整光亮的晶面或解理面對(duì)于白光的反射作用特別強(qiáng)烈,而這種非常特征的反光作用就叫作金剛光澤。
四、物質(zhì)區(qū)別
石墨和金剛石都屬于碳單質(zhì),他們的化學(xué)性質(zhì)完全相同,但金剛石和石墨不是同種物質(zhì),它們是由相同元素構(gòu)成的同素異型體。 所不同的是物理結(jié)構(gòu)特征。
二者的化學(xué)式都是C。
石墨原子間構(gòu)成正六邊形是平面結(jié)構(gòu),呈片狀。
金剛石原子間是立體的正四面體結(jié)構(gòu)。
金剛石和石墨的熔點(diǎn)比較:
金剛石的熔點(diǎn)是3550℃,石墨的熔點(diǎn)是3652℃~3697℃(升華)。石墨熔點(diǎn)高于金剛石。
從片層內(nèi)部來看,石墨是原子晶體;從片層之間來看,石墨是分子晶體(總體說來,石墨應(yīng)該是混合型晶體);而金剛石是原子晶體。石墨晶體的熔點(diǎn)反而高于金剛石,似乎不可思議,但石墨晶體片層內(nèi)共價(jià)鍵的鍵長是1.42×10-10m,金剛石晶體內(nèi)共價(jià)鍵的鍵長是1.55×10-10m。同為共價(jià)鍵,鍵長越小,鍵能越大,鍵越牢固,破壞它也就越難,也就需要提供更多的能量,故而熔點(diǎn)應(yīng)該更高。 (主要就是石墨的原子晶體屬性導(dǎo)致它的熔點(diǎn)變高)
五、用途
1、工業(yè)用途
地質(zhì)鉆頭和石油鉆頭金剛石、拉絲模用金剛石、磨料用金剛石、修整器用金剛石、玻璃刀用金剛石、硬度計(jì)壓頭用金剛石、工藝品用金剛石。
若涂在音響紙盆上,音箱音質(zhì)會(huì)大為改善。
2、慢性毒藥
文藝復(fù)興時(shí)期,用金剛石粉末制成的慢性毒藥曾流行在意大利豪門之間。當(dāng)人服食下金剛石粉末后,金剛石粉末會(huì)粘在胃壁上,在長期的摩擦中,會(huì)讓人得胃潰瘍,不及時(shí)治療會(huì)死于胃出血,是種難以讓人提防的慢性毒劑。
3、觀賞寶石
鉆石由于折射率高,在燈光下顯得閃閃生輝。巨型的美鉆可以價(jià)值連城。而摻有深顏色的鉆石的價(jià)錢更高。最昂貴的有色鉆石,要數(shù)帶有微藍(lán)的水藍(lán)鉆石。
鉆石分為一型和二型兩種,這主要是根據(jù)它是否含有N元素:一型含;二型不含。而藍(lán)色的鉆石是二B型的,是半導(dǎo)體。
刷題鞏固
例題:金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。其組成元素主要為( )。
A、鐵
B、銅
C、碳
D、硅
答案:C
解析:金剛石是在地球深部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素組成的單質(zhì)晶體,由碳原子以四價(jià)鍵鏈接,為已知自然存在的最硬物質(zhì)。它是一種由碳元素組成的礦物,是石墨的同素異形體。
故正確答案為C。