Kim cương thường được ưa chuộng nhờ độ cứng cao nhất trong các loại đá quý tự nhiên và nhân tạo. Chúng giúp kim cương trở nên bền qua thời gian, sử dụng được lâu dài. Nhờ vậy mà kim cương được xem là biểu trưng cho một tình yêu vĩnh cửu. Thế nhưng, ít ai biết được tại sao kim cương lại cứng. Dưới đây là những lý giải cho vấn đề trên.
Có thể bạn quan tâm
Kim cương được xem là vật liệu cứng nhất trên Trái Đất. Tên của chúng bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “ không thể phá vỡ” hay “bất khả chiến bại”. Độ cứng của kim cương mang lại cho chúng khả năng cắt đáng kinh ngạc, cùng với vẻ đẹp hoàn mỹ.
Bạn Đang Xem: Vì sao kim cương rất cứng còn than chì lại mềm ?
Sự hình thành của của kim cương đã ảnh hưởng lớn đến lý do tại sao kim cương lại cứng. Mỗi viên kim cương chúng ta đang sử dụng, được hình thành cách đây khoảng 3.3 tỷ năm. Có tuổi đời lớn hơn khi loài người biết đến trái đất. Kim cương được tạo ra khoáng vật có chứa carbon, dưới nhiệt độ và áp suất cao ở sâu 100km dưới lòng đất.
Áp suất ở nơi này khoảng 4905000000 kg và nhiệt độ khoảng 12000. Đây là những con số khổng lồ, giúp sự kết tinh của cacbon thêm phần chặt chẽ. Mỗi một nguyên tử C sẽ được kết nối với 4 nguyên tử C xung quanh. Nhờ vào lực nén ở độ sâu rất lớn, giúp tinh thể có cấu trúc chắc chắn, bền bỉ và khó đứt gãy. Hiện nay, độ cứng của kim cương được xem là hoàn hảo, khi lên tới 10h Mohs. Mức cao nhất trong đá tự nhiên, cũng như nhân tạo.
Ngoài ra, nhờ vào độ cứng hoàn hảo những viên kim cương không những dùng để làm đẹp, mà chúng còn được thêm vào các công cụ như dao, máy khoan… để phục vụ cho ngành công nghiệp. Độ cứng hoàn hảo giúp kim cương có thể cắt, khoan một cách dễ dàng.
Tại sao than chì không cứng bằng kim cương?
Nhiều bạn khi đọc tới đây sẽ có chung một thắc mắc: Cùng được hình thành từ cacbon, nhưng tại sao kim cương lại cứng hơn rất nhiều lần so với than chì. Nguyên do chủ yếu là ở than chì, các nguyên tử cacbon được xếp thành lớp và hình thành ở phía trên. Điều này khiến các lực kết hợp giữa các nguyên tử giữa rất nhỏ. Vì vậy mà than chì rất dễ tách ra khỏi nhau.
Tại sao than chì không cứng bằng kim cương?
Ngược lại, với kim cương chúng cũng được hình thành cacbon nhưng chúng lại hoàn toàn sở hữu độ cứng rất cao. Lý do là vì kim cương được hình thành ở độ sâu 100 dặm, nơi đó có nhiệt độ và áp suất rất cao. Cacbon bị vùi lấp ở những lớp sâu trong vỏ Trái Đất. Nhờ vậy mà cacbon mới có khả năng kết tinh cao tạo nên một tinh thể có cấu trúc rất bền chắc nên có độ cứng rất cao.
Tính chất vật lý của kim cương
Màu sắc
Màu sắc của kim cương thật sự rất đa dạng: không màu, xanh dương, xanh lá cây…. Những viên kim cương có màu sắc càng nổi bật, thì giá trị chúng càng lớn.
Xem Thêm : Là học sinh ai cũng đã từng gặp khó khăn trong học tập
Nguyên nhân tạo ra màu sắc chủ yếu là do trong quá trình hình thành đá bị lẫn tạp chất. Ngoài ra, Nitơ là cũng là một lý do chính dẫn đến kim cương có màu sắc. Hầu như các loại kim cương có nguồn gốc tự nhiên đều có chứa Nitơ. Vì vậy những viên đá không chứa Nitơ thật sự rất hiếm và có thể không tồn tại.
Kim cương có nhiều màu sắc đa dạng, do tạp chất trong quá trình hình thành
Độ bền nhiệt độ
Ở áp suất khí quyển 1atm, kim cương sẽ có tính chất giống than chì và chúng có thể bị phân hủy. Kim cương sẽ bị cháy ở nhiệt độ khoảng 8000°C trong điều kiện có đủ oxy.
Với nhiệt độ và áp suất bình thường, thì viên kim cương có thể biến thành than chì sau một khoảng 15 tỷ năm. Bằng khoảng thời gian hình thành vũ trụ cho đến nay.
Tính chất quang học
Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do kim cương sở hữu chiết suất biến đổi nhanh và bước sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cương có khả năng biến những tia sáng trắng thành tia sáng màu sắc. Điều này giúp tạo nên sự hấp dẫn cho trang sức kim cương. Chiết suất của loại đá quý này khoảng 2.417, gấp 1.5 lần chiết suất của thủy tinh.
Tính dẫn điện
Ngoại trừ những viên kim cương xanh dương, thì các loại kim cương còn lại đều có khả năng dẫn điện tốt. Lý do là vì trong kim cương xanh không chứa các tạp chất dẫn điện.
Tính dẫn điện của kim cương
Mong rằng những chia sẻ trên giúp bạn hiểu hơn về tại sao kim cương lại cứng. Nguyên nhân chủ yếu là do quá trình hình thành đầy khắc nghiệt của kim cương khiến chúng trở nên bền bỉ và chắc chắn.
Hiện nay kim cương tự nhiên không còn là sự lựa chọn hợp lý vì mức giá quá cao, thay vào đó người dùng có thể lựa chọn Moissanite, một loại khoáng thạch có vẻ đẹp và đặc điểm tương đồng gần như hoàn toàn kim cương tự nhiên nhưng có mức giá tốt hơn rất nhiều.
Bạn hãy xem thêm:
Xem Thêm : Plot là gì
Hiện tại Jemmia có 3 Showroom để quý khách hàng trải nghiệm trực tiếp kim cương tự nhiên có chứng nhận GIA tại:
Tại sao kim cương lại rắn và cứng đến như vậy?
Bạn có thể chưa từng nghĩ đến chuyện than chì đen sì sì và đá kim cương sáng lấp lánh là anh em ruột, đều là cacbon nguyên chất tồn tại trong giới tự nhiên, chỉ có điều là tướng mạo và tính cách của chúng khác nhau mà thôi.
Than chì rất mềm, chỉ cẩn gạch nhẹ trên giấy da đã để lại vết màu đen xám trên đó rồi, ruột bút chì dùng than chì để chế tạo ra. Kim cương là “nhà vô địch” về độ cứng trong số các khoảng vật: nhân viên bán hàng trong cửa hàng kính dùng dao nạm kim cương để cắt kính, không có vật nào mà không “róc theo dao” cả. Trên mũi khoan của máy khoan thăm dò quặng có nạm kim cương, điều này có thể tăng nhanh tốc độ khoan xuống đất của nó; dao kim cương còn có thể dùng để gia công các kim loại cứng rắn khác nữa.
Than chì và kim cương đều là thành viên của gia tộc cacbon, tại sao độ cứng của nó lại khác xa nhau như vậy?
Thì ra, nguyên tử cacbon trong phân tử than chì xếp theo dạng tẩng, độ liên kết giữa các tẩng nguyên tử là rất nhỏ, cũng giống như một bộ tú lơ khơ xếp lại vậy, chúng rất dễ bị trượt và tung ra. Còn nguyên tử cacbon của kim cương lại là kết cấu hình khối được xếp gọn gàng, mỗi nguyên tử cacbon đều liên kết trực tiếp và chặt chẽ với nguyên tử cacbon khác, tạo thành một thể kết tinh chặt chẽ, do đó nó rất cứng.
Sản lượng của kim cương thiên nhiên là rất nhỏ, thường ẩn cư ở những vùng sâu của Trái đất. Chỉ có ở nhiệt độ rất cao và áp lực lớn thì cacbon trong lò luyện dưới đất mới có khả năng thông qua quá trình kết tinh thiên nhiên để hình thành đá kim cương quý giá. Do sản lượng kim cương thiên nhiên ít, giá lại đắt cho nên, mọi người thường lợi dụng nhiệt độ cao và áp suất cao để chế tạo đá kim cương.
Những tính toán đã chứng minh rằng: Thể ổn định ở áp lực bình thường của cacbon là t han chì, còn đá kim cương thì phải ở nhiệt độ cao 2000 độ C và áp suất cao 5.065 x 106 Apmốtphe mới đạt được trạng thái ổn định. Trong mấy năm gẩn đây, con người đã biến than chì thành kim cương trong những điều kiện tương tự.
Chất rắn kết kinh. Chất rắn vô định hình – Bài 8 trang 187 sgk Vật lý lớp 10. Tại sao kim cương và than chì đều được cấu tạo
Tại sao kim cương và than chì đều được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon, nhưng chúng lại có các tính chất vật lí khác nhau?
Hướng dẫn giải:
Kim cương và than chì được cấu tạo bởi cùng một loại hạt từ cacbon nhưng vì chúng có cấu trúc tinh thể khác nhau nên tính chất của chúng rất khác nhau. Ví dụ than chì mềm và dẫn điện, còn kim cương rất rắn và cách điện.
Nguồn: //quatangtiny.com
Danh mục: Blog
Đã bao giờ bạn thắc mắc tại sao kim cương lại cứng nhất chưa? Nếu là vật liệu cứng nhất thì tại sao kim cương lại có thể được cắt gọt thành nhiều hình dạng khác nhau? Liệu kim cương có thực sự vĩnh cửu và không bao giờ vỡ?
Bài viết hôm nay sẽ phân tích độ cứng và độ bền của kim cương để trả lời cho các câu hỏi trên một cách chi tiết nhất.
Để giải thích tại sao kim cương lại cứng, trước hết ta sẽ tìm hiểu về tiêu chuẩn để đánh giá độ cứng của vật liệu - thang điểm Mohs.
Hình 1. Thang điểm Mohs
Năm 1812, nhà khoáng vật học người Đức Friedrich Mohs đã nghiên cứu và tạo ra thang điểm này bằng một thí nghiệm đơn giản.
Trước tiên, ông chọn ra 10 khoáng vật có sẵn gồm: talc, thạch cao, canxi, florit, apatit, thạch anh, topaz, fenspat, corundum và kim cương. Tiếp theo, ông cho chúng lần lượt ma sát với nhau.
Kết quả, 10 vật liệu này được sắp xếp theo thứ tự để thành lập một thang đo. Nguyên lý duy nhất để xác định điểm của chúng là: khoáng vật cứng hơn sẽ làm trầy xước khoáng vật mềm hơn.
Hình 2. Thứ tự của các khoáng vật
Trên thang điểm Mohs, kim cương đạt được 10/10 điểm. Do đó, nó được xem là loại đá quý cứng nhất và chỉ có kim cương mới có thể làm trầy, cắt gọt kim cương.
Như vậy, độ cứng mà chúng ta thường được nghe về kim cương chính là khả năng chống trầy xước khi va chạm. Nhờ đó, viên đá trên trang sức của bạn sẽ giữ được độ lấp lánh hoàn hảo trong một thời gian rất dài.
Trong các nguyên tố hóa học, cacbon là một nguyên tử thú vị vì xung quanh nó có đến 4 electron.
Hình 3. Các liên kết của cacbon
Kim cương được tạo thành từ cacbon nên nó có một mạng lưới liên kết cộng hóa trị vô cùng lớn. Cứ 1 nguyên tố cacbon sẽ liên kết với 4 nguyên tố cacbon khác. Những liên kết này được sắp xếp theo kiểu tứ diện đều với độ dài liên kết là 0,154nm.
Hình 4. Cấu tạo của kim cương
Cấu tạo đặc biệt này tạo nên một lực liên kết cộng hóa trị trong tinh thể vô cùng lớn. Biến kim cương thành một vật chất bền vững, cứng cáp, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
Thực chất, ngoài kim cương và than chì [graphit] cacbon vẫn còn các dạng thù hình khác như: cacbon vô định hình, fullerene, cacbon ống nano…
Hình 5. Các đồng vị hóa học của cacbon
Điều khiến kim cương có độ cứng vượt trội so với những dạng thù hình trên chính là quá trình hình thành của nó.
Để dễ hiểu hơn, bài viết sẽ so sánh quá trình hình thành của kim cương và than chì trong tự nhiên:
Than chì thường được hình thành từ những trầm tích giàu cacbon ở lớp phủ của vỏ Trái Đất. Quá trình này diễn ra trong hàng triệu năm dưới áp suất khoảng 75.000 pound/inch vuông và nhiệt độ lên đến 750 độ C.
Kết quả, cacbon của than chì liên kết với nhau theo cấu trúc hình lục giác. Cứ 1 nguyên tử cacbon sẽ liên kết với 3 nguyên tử cacbon khác tạo thành các mạng lưới 2D hình tổ ong [graphene] xếp chồng lên nhau. Độ dài liên kết của chúng là 0,142 nm, khoảng cách giữa hai lớp sẽ cách nhau 0,335 nm.
Hình 6. Cấu tạo của than chì
Như đã nói, mỗi nguyên tố cacbon sẽ có đến 4 liên kết cộng hóa trị. Vì vậy, trong cấu trúc của than chì chỉ có 3 liên kết được cố định. Liên kết còn lại sẽ hoạt động tự do khiến than chì dễ cắt rời, mềm hơn và có khả năng dẫn điện.
Cũng bắt nguồn từ những loại đá trầm tích giàu cacbon như than chì nhưng kim cương lại được hình thành ở độ sâu lên đến 150 kilomet. Quá trình này diễn ra từ 1 đến 3.5 tỷ năm tại lớp vỏ Manti của Trái Đất. Đây là nơi có áp suất 5 gigapascal và nhiệt độ 1200 độ C.
Hình 7. Nhiệt độ, áp suất, thời gian hình thành là các yếu tố tạo ra sự khác biệt giữa than chì và kim cương
Dưới nhiệt độ và áp suất cực đại, các liên kết của cacbon bị nén chặt và nung nóng. Hình thành nên một cấu trúc bảo hòa.
Trong kim cương, những liên kết hóa trị của cacbon được tổ chức rất chặt chẽ và không thể di chuyển. Đó là lý do tại sao kim cương lại cứng trong khi than chì mềm.
Nhiều người vẫn nghĩ rằng kim cương là vật liệu cứng nhất, nó sẽ không bao giờ vỡ và có vẻ đẹp trường tồn theo thời gian. Tuy nhiên, sự thật là kim cương không hề bền bỉ như bạn tưởng.
Để đánh giá độ bền của một vật liệu, các nhà khoa học sẽ xem xét trên 3 phương diện: độ cứng, độ bền và tính ổn định. Đồng ý rằng kim cương là vật liệu cứng nhất, nhưng còn hai phương diện khác thì sao?
Kim cương rất cứng nhưng cũng rất giòn, độ cứng của nó lại không đều theo các hướng khác nhau.
Hình 8. Kim cương vẫn có thể bị mẻ, vỡ nếu bị va chạm mạnh
Trong mỗi tinh thể kim cương đều tồn tại những mặt phẳng phân cắt. Đây chính là nơi các liên kết cacbon không quá chặt chẽ. Chỉ cần tác động một lực đủ mạnh vào đúng vị trí, kim cương sẽ dễ dàng bị nứt hoặc gãy.
Người ta đã áp dụng điều này vào việc cắt kim cương, tạo ra những giác cắt sắc nét, phức tạp. Giúp kim cương tăng khả năng phản chiếu ánh sáng để lấp lánh hơn.
Cấu trúc của kim cương trên lý thuyết là bất khả xâm phạm. Nó có độ ổn định, khả năng chịu nhiệt cao hơn hầu hết các loại đá quý khác.
Hình 9. Nhiệt độ cao cũng gây hại cho kim cương
Tuy nhiên, nếu đột ngột đặt kim cương vào môi trường có nhiệt độ cao nó sẽ bị hư hại.
Qua bài viết, hy vọng bạn đã hiểu tại sao kim cương lại cứng và các vấn đề khác xung quanh độ bền của nó. Có thể nói, kim cương là một loại đá quý cứng nhưng lại không quá bền và dẻo dai. Vì vậy, trong quá trình sử dụng bạn cũng cần cẩn thận, không để trang sức của mình bị va chạm, tác động mạnh.
Bạn tìm hiểu thêm về