ダイヤモンドの形成

ダイヤモンドは燃える?

 

ダイヤモンドを作っている元素が炭素のみだと判明したのは18世紀初めのことでした。

 

イタリアのフィレンツェで実験が行われました。その実験方法はダイヤモンドに太陽光を集中させて燃やしてしまうという物でした。

 

具体的にどのような方法で太陽光を集中したのか分かっていません。太陽光を集中させただけでダイヤモンドが燃えるほどの高音が出たのがも疑問です。

 

燃えかすと発生したガスを調べると炭素と酸素だけで出来ている炭酸ガスであり、ダイヤモンドを作っている元素が炭素だけだと分かったのが18世紀末のことでした。

 

この実験から分かるのはダイヤモンドは炭素で出来ているので燃えてしまうと言うことです。

 

そして無色透明なダイヤモンドは真っ黒な石墨(グラファイト)と同じ炭素で出来ていることが判明したのです。

 

ダイヤモンドは炭素で出来ているとは言っても、石炭の代わりにボイラーに投入したら燃費は最悪です。もったいない。

 

ダイヤモンドの出来方

 

炭素はどのようにしてダイヤモンドになるのでしょうか。

 

炭素を高温で高い圧力にかけることによってダイヤモンドになります。

 

しかし、そのような高温高圧は地上にはありません。

 

地下のマグマの高温と高圧力によって出来、それが地殻変動によって地上に出てきたのがダイヤモンドです。

 

原子の結びつきと並び方

 

ではなぜ同じ炭素で出来ていながら全く違う物資になってしまうのでしょうか。

 

1912年にX線を使って結晶構造を解析する手段は開発されました。X線を使った結果、原子の結びつき(原子間の結合)と原子の並び方(結晶構造)は鉱物ごとに違いがあることが判明しました。

 

ダイヤモンドとグラファイトの結晶構造を比べると、グラファイトは炭素原子が層状に並んでいますが、ダイヤモンドは三次元的に結合しています。

 

炭素原子間の距離や1つの炭素原子が隣の炭素原子と結びついている数も違います。

 

ダイヤモンドの方がしっかりと引き締まった結晶構造になっています。

 

ダイヤモンドが作られるのにはグラファイトより強力な圧力が必要だと言うことです。

 

共有結合による結晶とファンデルワールス結合

 

原子同士でお互いの電子を共有する化学結合のことを共有結合と言います。

 

共有結合の結晶とは多数の原子の全てが共有結合によって連なり、規則正しく配列されている結晶のことです。

 

ダイヤモンドを作っている炭素原子は強力な共有結合を形成しています。

 

炭素は価電子を4つ持っていますが、その4つを全て使って4方向へ均等にSP3混成軌道を形成して、正四面体の立体構造を作っています。

 

各炭素原子間で強固な共有結合が行われることによって、世界一の硬さと優れた透明さ、高い熱伝導性と電気絶縁性を発揮しています。

 

それに対してグラファイトは層状の構造になっています。グラファイトを構成する炭素原子は層に対して並行な結晶面内で共有結晶を形成して、層と層の間は弱いファンデルワールス結合によって結ばれています。

 

グラファイトを構成する炭素原子は4個の価電子の内の3個の電子がSP2混成軌道を形成して、他の3個の炭素原子と結合しています。

 

平面で6個の炭素が六角網面を形成していて、その平面が多数重なり合っています。電子の残り1個は導電性があるπ電子で、層の平面に対して垂直に配向して面の間のファンデルワールス結合を形成しています。

 

ファンデルワールス結合は結合した面が滑りやすいので潤滑性に優れていて、高い耐熱特性があります。ただし共有結合に比べると、かなり弱い結合のためグラファイトはダイヤモンドより硬さで劣ります。

 

グラファイトは4つの価電子の内1つが結合されずに余っているので、それが自由電子のような働きをするため電導性が発生します。

 

 

ダイヤモンドの構造
ダイヤモンドがどういう仕組みになっているかを説明します。

 

ダイヤモンドの結晶構造

 

ダイヤモンドの輝きの仕組みと硬さ

 

ダイヤモンドの特徴

 

ダイヤモンドの形成


HOME プロフィール お問い合わせ