Funkelnde Mysterien tief aus dem Erdinneren: Begeben Sie sich auf eine faszinierende Reise in die Welt der Diamanten, von ihren geheimnisvollen Ursprüngen vor Milliarden von Jahren bis zu ihrer heutigen Bedeutung als begehrtes Statussymbol und Hightech-Material. Entdecken Sie, wie diese außergewöhnlichen Kohlenstoffkristalle in den Tiefen der Erde unter immensem Druck und unvorstellbarer Hitze entstehen, und welche Rolle vulkanische Kimberlit- und Lamproitgesteine bei ihrer Förderung spielen. Erfahren Sie mehr über die Geschichte des Diamantenabbaus, von den ersten Funden in Indien und Brasilien bis zu den modernen Minen in Südafrika, Russland und Australien. Tauchen Sie ein in die Wissenschaft der Diamantenbewertung, die auf den berühmten "4 C's" basiert: Cut (Schliff), Carat (Gewicht), Clarity (Reinheit) und Colour (Farbe), und lernen Sie die verschiedenen Typen von Diamanten kennen, die durch winzige Stickstoffverunreinigungen ihre einzigartigen optischen Eigenschaften erhalten. Erkunden Sie die faszinierende Atomstruktur des Diamanten, seine außergewöhnliche Härte und Wärmeleitfähigkeit, die ihn für industrielle Anwendungen unverzichtbar machen. Verstehen Sie die Grundlagen der Diamantsynthese, von der Hochdruck-Hochtemperatur-Methode bis zur Herstellung synthetischer Diamantschichten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), und gewinnen Sie Einblicke in die Zukunft der Diamantenforschung und -technologie. Dieser umfassende Überblick bietet sowohl dem Edelsteinliebhaber als auch dem wissenschaftlich interessierten Leser eine fundierte und fesselnde Lektüre über einen der wertvollsten und faszinierendsten Stoffe der Erde. Lassen Sie sich von der Brillanz und den Geheimnissen des Diamanten verzaubern und entdecken Sie, was ihn zu einem wahren Wunder der Natur macht. Ein Muss für alle, die sich für Geologie, Mineralogie, Chemie und die faszinierende Welt der Edelsteine interessieren. Entdecken Sie die Welt der Diamanten, ein Symbol für Schönheit, Beständigkeit und wissenschaftlichen Fortschritt.
Der Diamant
Geschichte, Herkunft
320 - 296 v. Chr. : Sanskrit-Text aus Indien ist das 1. schriftliche Zeugnis über Diamanten Beginn des 18. Jh. : in Brasilien wird ein Diamantenvorkommen entdeckt, welches 150 Jahre den europäischen Markt beherrscht
2. Hälfte des 19. Jh.: brasilianische und indische Vorkommen sind erschöpft; es wird jedoch in Südafrika ein neues Diamantenvorkommen entdeckt
1869: diamantenführendes Muttergestein Kimberlit (ultrabasisches [quarzarmes] Tiefengestein) wird erstmals entdeckt
1940: weitere Diamantenvorkommen in China und Russland
1979: Diamantenvorkommen in Australien wird entdeckt; Diamanten werden im Lamproit entdeckt, einem dem Kimberlit bezüglich der Zusammensetzung sehr ähnlichem Gestein
Diamanten sind sehr teuer, da die Anzahl der Lagerstätten sehr gering ist. Auch die niedrige Konzentration im Begleitgestein spielt eine Rolle (5g → 1 Tonne Gestein muß bearbeitet werden).
Wie entstehen Diamanten in der Natur?
1. Diamanten entstehen in kimberlitischen Schmelzen durch chemische Reaktionen (Kontaktmetamorphosen) von ultrabasischem Magmen mit geologisch älteren, kohlenstoffhaltigen Gesteinen oder Gasen
2. Eisen - Kohlenstoff- Meterorite
- Entstehung des Diamanten bereits beim Eintritt in die Erdatmosphäre
- heute: Diamantenbildung im Verlauf von Supernovaexplosionen (?)
Bewertung von Diamanten:
Qualitätsbewertung beruht auf den 4 c´s:
- Cut (Schliff)
- Carat (Gewicht) : 1 Karat = 0,2 g
- Clarity (Reinheit): wird bei 10facher Vergrößerung festgestellt
→ lupenreine Exemplare
→ Einschlüsse unterschiedlicher Größe vorhanden
- Colour (Farbe): - optische Eigenschaften hauptsächlich durch Stickstoffver- Unreinigungen
- Typ I - Diamant: stickstoffreiche Kristalle (bis zu 2500 ppm) mit meist gelbliche Färbung
Typ I b- Diamant: homogener Austausch einzelner KohlenstoffAtome durch Stickstoffatome; ein Elektron pro Stickstoff ist ungepaart
Typ I a- Diamant: Auch die überschüssigen Elektronen der StickStoffatome werden gepaart; häufigsten Defekte:
A.Zentren: 2 N ersetzen 2 C und verbinden sich
B. Zentren: 4 N umgeben tetraedrisch eine Leer- Stel le
- Typ II- Diamant: enthält weniger als 2 ppm Stickstoff
Typ II a - Diamant: halbleitende Kristalle
Typ II b - Diamant: isolierende Kristalle
Diamantstruktur
Beim Diamant handelt es sich um einen kovalenten Atomkristall.
In einem Atomkristall sind die Gitterbausteine Atome, die durch kovalente Bindungen dreidimensional verknüpft sind. Die Elemente der 4.Hauptgruppe hier Kohlenstoff kristallisieren in einem Atomgitter mit tetraedischer Koordination der Atome (Winkel: 109,5°). Nach der C-Modifikation wird dieser Gittertyp als Diamantgitter bezeichnet. In der Diamantstruktur ist jedes Atom durch 4 s -Bindungen an seine Nachbaratome gebunden.(CC-Bindungslänge: 154,4 pm / Koordinationszahl: 4). Die C-C-Bindungen kommen durch Überlappung tetraedisch ausgerichteter sp3 -Hybridorbitale zu stande.
Die Elementarzelle des Diamant ist kubisch-flächenzentriert .
Eigenschaften von Diamant
Dichte: 3,514 g/cm3
Härte: Aufgrund der hohen Bindungsenergie ( 348 kJ/mol) ist der Diamant sehr hart ( er ist der härteste natürliche Stoff.
Diamant ist metastabil, d.h. Diamant sollte sich bei normalen Temperatur- und
Druckverhältnissen freiwillig in Graphit umwandeln. Die Umwandlung ist jedoch so extrem langsam, dass sie bei normalen Temperaturen nicht beobachtet wird.
CDiamant ➔ CGraphit D H= -1,9 kJ/mol (bei 1500°C)
In Gegenwart von Luft verbrennt Diamant bei 800°C zu CO2
Elektrische Leitfähigkeit: Diamant ist ein sehr guter Isolator.
Löslichkeit: Keinerlei Wechselwirkungen mit Lösungsmittel-Molekülen ist stark genug, um die kovalenten Bindungskräfte der Gerüststruktur zu überwinden. Eine Ausnahme ist ein oxidatives Gemisch aus Kaliumdichromat u. Schwefelsäure od. Salpetersäure bzw. Fluor bei über 700°C.
Wärmeleitfähigkeit: Höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Substanzen (5 mal höher als Cu) und einen der niedrigsten Ausdehnungkoeffizienten von 1,06*10-6.
Diamant Synthese
Die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese von synthetischem Diamant gelang erstmals 1955 in einer Belt-Apparatur. Darin werden Proben in einer Kammer zwischen 2 Stempeln und Wolframkarbid über hydraulische Pressen komprimiert.
Die Proben befinden sich in einem weichen Druckübertragungsmedium aus Phyrophillit (Al2[Si4O10(OH)2]). Zusätzlich wird der Probenbehälter beheizt.
Als Probenzusatz verwendet man metallische Schmelzen von Elementen der Eisengruppe (als Katalysator), einen Keimkristall sowie Graphit als Kohlenstoffquelle. Man arbeitet dann mit einem Druck von ca. 60000 bar und einer Temperatur von ca. 1700 K. Bei gleichbleibender Krafteinwirkung und geeigneter Temperaturregelung kann ein konstanter Kristallwachstum für Zeiträume von mehreren Wochen realisiert werden. Optimal ist eine Abscheidungsgeschwindigkeit von weniger als 1,5 mg pro Stunde.
Neben des Herstellen künstlicher Diamanten in Kristallform, gibt es auch die Züchtung synthetischer Diamantschichten auf Oberflächen. Das 1. Verfahren, dass diesen Vorgang erfolgreich realisierte, ist die HFCVD-Methode (Hot Filament Chemical Vapour Desposition), das in den achtziger Jahren realisiert wurde Bei dieser Methode wird eine kohlenstoffarme Gasmischung an einer Wendel aus Wolframdraht bei 2300 bis 2900 K pyrolysiert ( thermisch zersetzt).
Als Kohlenstoffquelle wird Methan verwendet und die CH4/H2 Mischung so gewählt, dass der C-Gehalt 0,5 mol % nicht überschreitet. Die Dissoziationsprodukte der Gase diffundieren vom heißen Draht zum etwa 1 cm entfernten kühleren Substrat ( 1100 u 1400 K) und bilden unter Wasserstoffabspaltung Diamant.
Optimal ist ein Gesamtgasdruck von etwa 10kPa und einer Subtrattemperatur von 1120 K , um eine Wachstumsrate von einen Mikrometer pro Stunde zu erreichen.
Literaturangaben:
Chemie in unserer Zeit / 34. Jahrg. 2000/ Nr. 4
Allgemeine und anorganische Chemie, Erwin Riedel, de Gruyter, 6. Aufl.1994
Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der anorganischen
Chemie, de Gruyter 1995, 101 Auflage
Häufig gestellte Fragen über Der Diamant
Woher stammen Diamanten und wie hat sich ihre Geschichte entwickelt?
Die erste schriftliche Erwähnung von Diamanten stammt aus einem Sanskrit-Text aus Indien (320-296 v. Chr.). Im frühen 18. Jahrhundert wurde in Brasilien ein Diamantenvorkommen entdeckt, das den europäischen Markt 150 Jahre lang dominierte. Mitte des 19. Jahrhunderts waren die brasilianischen und indischen Vorkommen erschöpft, aber in Südafrika wurde ein neues Vorkommen gefunden. 1869 wurde das diamantführende Muttergestein Kimberlit entdeckt. Weitere Vorkommen wurden 1940 in China und Russland und 1979 in Australien (im Lamproit) gefunden.
Warum sind Diamanten so teuer?
Diamanten sind teuer, weil es nur wenige Lagerstätten gibt und die Konzentration im Gestein gering ist (5g Diamant pro Tonne Gestein).
Wie entstehen Diamanten auf natürliche Weise?
Diamanten entstehen in kimberlitischen Schmelzen durch chemische Reaktionen (Kontaktmetamorphosen) von ultrabasischem Magma mit älteren, kohlenstoffhaltigen Gesteinen oder Gasen. Sie können auch in Eisen-Kohlenstoff-Meteoriten entstehen, entweder beim Eintritt in die Erdatmosphäre oder möglicherweise bei Supernovaexplosionen.
Wie werden Diamanten bewertet?
Die Qualitätsbewertung basiert auf den "4 C's": Cut (Schliff), Carat (Gewicht – 1 Karat = 0,2 g), Clarity (Reinheit, festgestellt bei 10-facher Vergrößerung) und Colour (Farbe, beeinflusst durch Stickstoffverunreinigungen).
Welche Arten von Diamanten gibt es, basierend auf ihren Stickstoffgehalt?
Es gibt Typ I-Diamanten (stickstoffreich, oft gelblich), unterteilt in Typ Ib (homogener Austausch einzelner Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome) und Typ Ia (Stickstoffatome paaren sich, mit A- und B-Zentren als Defekten). Typ II-Diamanten enthalten weniger Stickstoff, unterteilt in Typ IIa (halbleitend) und Typ IIb (isolierend).
Wie ist die Struktur eines Diamanten?
Diamant ist ein kovalenter Atomkristall. Kohlenstoffatome sind durch kovalente Bindungen dreidimensional verknüpft, mit tetraedrischer Koordination (109,5° Winkel). Jedes Atom ist durch 4 s-Bindungen an seine Nachbarn gebunden (CC-Bindungslänge: 154,4 pm, Koordinationszahl: 4). Die Elementarzelle ist kubisch-flächenzentriert.
Welche Eigenschaften hat Diamant?
Diamant hat eine Dichte von 3,514 g/cm3 und ist sehr hart aufgrund der hohen Bindungsenergie (348 kJ/mol). Er ist metastabil und sollte sich theoretisch in Graphit umwandeln, was aber extrem langsam geschieht. Diamant verbrennt bei 800°C in Luft zu CO2, ist ein sehr guter Isolator und nahezu unlöslich. Er hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Substanzen.
Wie werden Diamanten synthetisch hergestellt?
Die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese wurde erstmals 1955 durchgeführt. Dabei werden Proben in einer Belt-Apparatur unter hohem Druck (ca. 60000 bar) und hoher Temperatur (ca. 1700 K) zwischen Wolframkarbidstempeln komprimiert. Metallische Schmelzen der Eisengruppe dienen als Katalysator, Graphit als Kohlenstoffquelle und ein Keimkristall wird verwendet.
Was ist die HFCVD-Methode zur Herstellung synthetischer Diamantschichten?
Die HFCVD-Methode (Hot Filament Chemical Vapour Deposition) verwendet eine kohlenstoffarme Gasmischung (CH4/H2), die an einer Wolframdrahtwendel bei 2300-2900 K pyrolysiert wird. Die Dissoziationsprodukte diffundieren zum Substrat (1100-1400 K) und bilden unter Wasserstoffabspaltung Diamant. Optimal sind ein Gesamtgasdruck von 10 kPa und eine Substrattemperatur von 1120 K für eine Wachstumsrate von 1 Mikrometer pro Stunde.
- Quote paper
- Inga Strotmann (Author), 2001, Diamant (Geschichte, Eigenschaften, Synthese), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/102834
