Diamant (Geschichte, Eigenschaften, Synthese)

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

CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995