Beide bestehen aus Kohlenstoff. Warum ist Graphit weich und Diamant hart?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Supercontinent Team

Hersteller: China Science Expo

Wenn Menschen an Diamanten denken, denken sie an schillernde und funkelnde Szenen, und sie glänzen mit den Aktivitäten des Besitzers. Aufgrund des hohen Preises können die meisten Menschen jedoch nur die Finger davon lassen. Trotzdem besteht bei den Menschen immer noch ein Verlangen nach Diamanten.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wissen Sie, was ein Diamant ist? Seine chemische Zusammensetzung ist Kohlenstoff (C). Natürliche Diamanten werden erst nach dem Polieren als „Diamanten“ bezeichnet. Natürliche Diamanten sind äußerst selten und Dinge sind wertvoll, weil sie selten sind. Da natürliche Diamanten, die als „Diamanten“ verwendet werden können, sehr selten sind, möchten die Menschen Diamanten „künstlich herstellen“, um sie zu ersetzen, was die Menschen natürlich an den „Zwillingsbruder“ des Diamanten denken lässt – Graphit.

Die chemische Zusammensetzung von Diamant und Graphit ist Kohlenstoff (C), was Wissenschaftler als „Isomorphe“ oder „Allotrope“ bezeichnen. Anhand dieses Namens können wir erkennen, dass sie die gleiche „Qualität“, aber unterschiedliche „Formen“ oder „Eigenschaften“ haben und dass zwischen ihnen himmelweite Unterschiede bestehen. Diamant ist derzeit der härteste Stoff, während Graphit einer der weichsten Stoffe ist.

Jeder weiß, dass Bleistiftminen aus einer Mischung aus Graphitpulver und Ton bestehen. Je mehr Graphitpulver vorhanden ist, desto weicher ist die Bleistiftmine, was durch „B“ dargestellt wird. Je mehr Ton vorhanden ist, desto härter ist die Bleistiftmine, was durch ein „H“ dargestellt wird. Mineralogen verwenden die Mohshärte zur Angabe der relativen Härte. Diamanten haben eine Härte von 10, Graphit hingegen nur von 1. Der Grund für die unterschiedlichen Härtegrade liegt in der sehr unterschiedlichen inneren Struktur.

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Die Kohlenstoffatome im Graphit sind in Schichten angeordnet. Es sind nur drei Kohlenstoffatome mit einem Kohlenstoffatom verbunden. Die Kohlenstoffe bilden sechseckige Ringe und eine unendliche Anzahl von Sechsecken bildet eine Schicht. Die Verbindung zwischen den Schichten ist sehr schwach, aber die drei Kohlenstoffatome innerhalb einer Schicht sind sehr stark, sodass die Schichten bei Krafteinwirkung leicht verrutschen können. Aus diesem Grund ist Graphit sehr weich und kann zum Schreiben verwendet werden.

Die Kohlenstoffatome im Inneren des Diamanten sind in einem dreidimensionalen Raum wie ein „Skelett“ angeordnet. Ein Kohlenstoffatom ist von vier Kohlenstoffatomen umgeben und bildet so ein Skelett im dreidimensionalen Raum. Diese Struktur weist in alle Richtungen eine gleichmäßige Verbindungskraft und eine starke Bindungskraft auf, was dem Diamanten die Eigenschaft einer hohen Härte verleiht.

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Obwohl der Härteunterschied zwischen Graphit und Diamant so groß ist, hofft man immer noch, Diamanten durch künstliche Synthese zu gewinnen, da die Graphitvorkommen (Kohlenstoff) in der Natur sehr groß sind. Allerdings ist es nicht einfach, den Kohlenstoff im Graphit in Kohlenstoff umzuwandeln, der wie ein Diamant angeordnet ist. Im späten 18. Jahrhundert begann man, bis zur Mitte dieses Jahrhunderts nach Möglichkeiten zu suchen, es zu synthetisieren. Im Jahr 1938 legte der Gelehrte Rossini durch thermodynamische Berechnungen die theoretische Grundlage für synthetische Diamanten. Er fand heraus, dass zur Umwandlung von Graphit in Diamanten ein Druck von mindestens 15.000 Atmosphären und eine Temperatur von mindestens 1.500 Grad Celsius erforderlich waren. In den 1950er und 1960er Jahren wurden Instrumente und Geräte gebaut, die die oben genannten Bedingungen erfüllen konnten. Graphit kann bei einem Druck von 50.000 bis 60.000 Atmosphären oder (5-6)×103 MPa und einer hohen Temperatur von 1.000 bis 2.000 Grad Celsius in Diamant umgewandelt werden, wobei die Metalle Eisen, Kobalt, Nickel usw. als Katalysatoren verwendet werden.

Derzeit werden in mehr als einem Dutzend Ländern der Welt (einschließlich meines Landes) Diamanten synthetisiert. Da die Partikel dieser Diamantart jedoch sehr fein sind, wird sie hauptsächlich als Schleifmittel zum Schneiden und als Bohrer für geologische und Erdölbohrungen verwendet. Derzeit werden 80 % des weltweiten Diamantenverbrauchs hauptsächlich in der Industrie verwendet, und die dortige Produktion übersteigt die von natürlichen Diamanten bei weitem.

Von den Strahlenschutzmasken der Astronauten in der Raumstation über die Bohrer der riesigen Schildmaschinen des Süd-Nord-Wasserumleitungsprojekts bis hin zu den scharfen Kanten der präzisionsgeformten galvanisierten Schleifscheiben von CVT-Getrieben haben in China hergestellte künstliche Diamanten als schärfste „Industriezähne“ einen Porzellanauftrag nach dem anderen übernommen und vielen inländischen Fertigungsunternehmen „exzellente Werkzeuge“ zur Verfügung gestellt, um technische Engpässe zu überwinden.