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珠宝知识264：珠宝考研考证篇（八十二）：从钻石的结构理解钻石的性质钻石属于等轴晶系，空间格子属于立方面心格子，下图为钻石的晶体结构示意图，每个晶胞中，有8个C原子分布在立方体的角顶处（A点）、6个分布在立方体面的中心（B点处），如果再将这个立方体切割成为8个小立方体，相间的立方体的中心处存在一个C原子，因此有四个（C点）。对于钻石的结构，我们可以理解为是由四面体以角顶相连的形式存在的。 
C原子之间的距离为0.154nm，立方体的边长为0.356nm，由于每个C原子可以成键4个，因此在整个钻石的结构当中，每个C原子连接4个C原子，所有的价电子都参与形成了共价键，没有自由电子的存在，钻石的性质与钻石的晶体结构密切相关，那么我们从晶体结构的角度出发，来分析钻石的物理化学性质。
一、力学性质1、钻石具有较高的硬度。硬度与化学键性以及键强有密切的关系，通常情况下，原子晶格的硬度要大于其他类型晶格的硬度，在原子晶格中，共价键的键强越大，则矿物的硬度越大。钻石是自然界最硬的已知矿物，相对硬度是10，但是绝对硬度却是刚玉（相对硬度为9）硬度的150倍，石英（相对硬度为7）硬度的1000倍，钻石具有如此高的硬度主要与钻石中C原子之间的化学键性较强有关。
钻石这样极高的硬度是可以作为鉴定证据虽然说宝石硬度可以作为一种鉴定证据，但是并不是说我们要去直接测量宝石的硬度，因为硬度测试属于有损测试，违背了珠宝鉴定的“无损”的原则，只有在不得已的时候，才会去选择测试宝石不明显的位置进行硬度的测试。虽然不能够直接测试宝石的硬度，但依然可以通过宝石的一些外观特征来进行推断，通常来讲，宝石的硬度越高，刻面型宝石的刻面棱就会越锋利，表面会更加光滑，钻石就具有这样的特征，所以说，区别仿钻与钻石很简单，就是观察宝石刻面棱就可以将他们非常轻松的将其区分开来。看看下面这张图片，最左侧为钻石，刻面棱锋利，刻面光滑，证明宝石的硬度很高；中间为合成立方氧化锆，硬度为8左右，虽然刻面较为光滑，但依然不及钻石，并且刻面棱非常圆滑；右图为玻璃，可以看到它的磨损非常严重，表明硬度很低，不可能为钻石，只能为仿钻。
2、钻石的硬度具有一定的方向性——钻石切割的理论基础钻石是自然界中已知矿物中硬度最高的，这就造成了钻石切磨的难度远大于其他种类的宝石，因此钻石的琢型的发展经历了一个非常漫长的过程，从最开始的尖琢型（14世纪）到现在常见的圆明亮琢型（20世纪初），经历了500多年的历史。
一般情况下，切磨宝石以及抛光宝石所用材料的硬度要大于所切宝石的硬度才可以，对于硬度最高的钻石又是如何切磨的呢？秘密就在钻石的差异硬度上。矿物的硬度与晶体结构中的键强有关，根据结晶学的基础知识，面网密度越大，面网间距越大，因此面网之间的结合力就会越弱，但是面网内部的结合力就会越强，钻石的八面体面网密度最大，八面体、菱形十二面体和立方体的面网密度比值为2. 308: 1. 414: 1，因此可以得出钻石的八面体方向的硬度＞菱形十二面体＞立方体方向。
钻石的这种差异硬度就使得这个世界上只有钻石才能够切磨钻石了，因此在钻石的切锯、抛光盘等上面镶嵌有无数个排列无规则的小钻石，在这些钻石中细小的钻石中，总会有一些钻石的硬度要大于所切钻石方向上的硬度，从而达到切磨钻石的目的。
另外，钻石的差异硬度也导致在选择切磨钻石的时候，首选硬度最低的立方体方向，其次为菱形十二面体方向。八面体方向一般不选，一方面是由于该方向的硬度过大，另一方面是由于钻石具有八面体的解理，从而导致该方向上抛光难度较大。
3、钻石具有四组八面体中等-完全解理——劈钻的重要方向解理面是垂直于面网之间化学键力最弱的方向产生的，平行于化学键力最强的方向，这一点我们在“原来宝石也具有强迫症，即使碎，也要碎的平整、光滑、大气”文章中为大家强调过。对于钻石来讲，八面体面网的密度是最大的，面网间距同样是最大的（立方体、菱形十二面体和八面体方向的面网间距分别为0.089nm、0.126nm和0.154nm），因此钻石的解理平行于八面体方向。
钻石的解理为钻石的切割提供了一个很好的方向，切割世界上最大的钻石库里南利用的就是钻石的解理，据传当钻石切磨师“约瑟夫·阿斯切”收到这颗钻石的时候，首先就是制作一个仿制品进行研究，找到钻石的解理方向，当第一刀切下去的时候，钻石纹丝不动，当场晕厥过去，醒来之后第二刀，手起刀落，钻石利落的被劈成了两块。下图就是著名的钻石切磨师“约瑟夫·阿斯切”正在举手劈下那颗著名的库里南钻石。
4、钻石具有脆性——钻石辅助鉴定证据钻石具有中等-完全的四组解理，当受到外力的时候，容易沿着解理破裂成较为光滑的平面，因此钻石是具有脆性的，在钻石的镶嵌以及保养中，一定要小心钻石较为薄弱的腰棱、底尖等部位，操作不当，容易造成钻石损坏。另外，钻石的破裂之后的解理面是可以作为鉴定证据之一的，腰棱处解理的发育，通常称之为须状腰棱。
下图为钻石的破口处，钻石具有解理的特征使得钻石的破口处相对平整，而不是无规则分布。
钻石的解理等级为中等-完全，形成的断口形状往往呈阶梯型，在钻石的毛坯中常见该现象。
二、光学性质1、钻石的颜色——丰富的钻石种类钻石以无色-黄色系列为主，其他颜色的钻石相对较少，主要是由于N是钻石中主要的杂质元素，导致钻石吸收蓝色区域的光，使得钻石形成黄色，这一点在上一篇文章中已经为大家分享了。蓝色钻石主要与钻石中的B元素有关；其他颜色的彩色钻石主要与钻石中的晶格缺陷等密切相关。下图是高温高压处理的蓝色钻石的阴极发光图像，可以看到三组清晰、细密、发强蓝白光的CL滑移面（线）系。
2、钻石常见415.5nm的吸收线——鉴定钻石的依据之一钻石中的N3心会造成钻石在415.5nm处有较强的吸收线，多数钻石都会观察到这一现象，因此利用该吸收光谱可以作为钻石的鉴定证据之一。此外，钻石确认仪也是依据钻石具有该吸收线而达到快速分析钻石的目的。另外褐色的钻石常见504nm的吸收线，部分钻石可同时观察到415.5nm和504nm的吸收线。
三、钻石的热学性质1、极强的导热性——热导仪快速鉴定的理论基础钻石的导热性极高，甚至高于很多金属晶体，比如说金属中导热性最好的银。正是因为钻石有极高的导热率，从而可以利用热导仪对钻石进行鉴定。
物体温度的升高代表着能量的吸收，物体内部的质点其实是在不停振动的，升温的原理我们可以理解为物体内部原子振幅的增加，能量的提高可以理解为质点振动频率与热能的所在频率形成共振，从而导致温度的升高。
钻石的极高的热导率也与钻石的结构密切相关，晶体的导热性往往与晶体中的原子振动频率有关，由于钻石的质量非常轻，并且共价键的结合力极强，原子的振动或者共振的频率非常高，每秒可高达40亿万次，这个频率是很难与热能所在的频率形成共振，因此在传导热量的过程中，不会被钻石所吸收，而是非常迅速的传过钻石。
2、稳定的热膨胀性——有利于钻石首饰的镶嵌与维修如果小时候玩过玻璃，我们就会知道，当玻璃突然遇冷或者遇热的时候，会出现炸裂的情况，就是因为玻璃的的热膨胀率很高，当突然遇冷或者遇热的时候，体积会迅速的缩小或者膨胀，导致表面与内部不能够统一变化，甚至是不同方向的变化也不能够一致，最终导致玻璃炸裂。但是钻石一般不会出现这种情况，钻石热膨胀性非常低，甚至可以低到当温度突然变化的时候，对钻石的影响可以忽略不计。
热膨胀系数其实与很多因素有关，这其中包括键力（结合能）、熔点等密切相关，一般情况下，结合力越强，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数就会相应减小。刚刚我们讲到，钻石以共价键为主，所有的价电子都参与成键，结合力极强，因此钻石会具有相对较低的热膨胀系数。
钻石的这一性质是有利于钻石首饰的维修的，但是，如果钻石内部存在有其他类型的矿物包裹体，若包裹体的热膨胀系数大于钻石，加热时会导致包裹体的膨胀程度大于钻石，使得钻石内部应力的出现，从而导致钻石的破裂，因此当钻石的净度较差时，或者有明显包裹体存在时，不宜加热钻石。
四、钻石的化学性质1、特别稳定的化学性质——钻石的保养，可以不用那么小心翼翼C原子具有4个价电子，并且在钻石中全部参与形成共价键，因此钻石的化学性质极为稳定，不溶于酸和碱，甚至王水也不能够溶解钻石，所以在实验室中经常使用酸性较强的硫酸等清洗钻石。但是，这并不意味着钻石不与任何物质发生反应，热的氧化剂是可以腐蚀钻石的，例如温度在500℃以上的硝酸钾溶液，在钻石的表面形成蚀像，利用该方法可以研究钻石的结构特征。
另外，钻石是具有可燃性的，在空气中加热到850-1000℃时开始缓慢燃烧，发出浅蓝色的火焰，钻石在氧气中的燃点相对较低，为650℃。钻石的成分是C也是由钻石燃烧之后变成二氧化碳开始知道的。不过对于古代的科学家，我只能是佩服，将这么名贵的宝石燃烧，我也想看看钻石燃烧的样子，一定都是“钱”的味道。
下图是钻石与石墨的相图，通过相图我们会知道，在常温常压下钻石应该是不稳定的，应该向石墨方向转化，但是这种转化的速度极低，因此可以忽略不计，但是在绝氧的条件下对钻石加热到2000-3000摄氏度时，钻石会转变成为石墨。
五、钻石的电学性质1、钻石的导电性——绝缘体、半导体纯净的钻石是不含有自由电子的，因此钻石应该为电的绝缘体，但是对于IIb型蓝色钻石而言，B原子只有三个价电子，当与C结合的时候，会导致C原子剩余一个价电子，形成自由电子，使得IIb型蓝色钻石具有导电性。
六、钻石的其他性质1、钻石具有亲油疏水性——钻石的鉴定与保养钻石具有非常明显的亲油疏水性，这一点可以应用在钻石的鉴定以及钻石矿床的开采当中。对于鉴定来讲，油性笔是可以在钻石的表面留下连续的笔迹的，在开采的过程中，利用的是沾有一层油脂的传送带运送钻石。
钻石有这样的性质，主要是由于钻石表面的C原子总会存在一些未占用的轨道，很容易被其他物质的电子所占用，与空气中的气体结合形成非极性的表面，但是水属于极性分子，这就是造成钻石具有疏水性的原因。
2、钻石的蚀像与生长台阶——符合钻石的对称规律我们要记住，晶体的对称不仅仅是外形的对称，还包括物理化学性质的对称，蚀像本身就是晶体在形成之后受到腐蚀、溶蚀作用，在晶面上形成的一些具有规则形状的凹坑，而晶面阶梯、生长纹等，实际上就是晶体阶梯生长的证据之一，所以晶体蚀像以及晶面台阶会受到晶体结构（面网性质）的控制，蚀像的形态特征同样符合晶体的对称规律，因此钻石的蚀像、晶面台阶以及生长纹等，恰好能够反映钻石的对称规律，也是钻石对称规律很好的外在表现。钻石的蚀像主要出现在八面体方向上，在八面体面上，常见到倒三角的蚀像，在立方体面上，可以见到四边形的凹坑，但是凹坑的角则指向立方体晶面的边。下图为钻石毛坯表面的三角形蚀像。
下图为钻石成品腰棱处残留的原石晶面，从该晶面中可以看到明显的三角形蚀像。
下图分别为微分干涉对比图象中所观察到三角形蚀像与正方形蚀像。
下图为钻石的八面体面上的生长台阶，这是按照层生长理论晶面不断向外平行推移的结果。生长层的差异很大，有的很薄，在晶面上形成等高线一样的花纹，有的则很厚，形成厚厚的生长台阶。这种生长台阶主要发育在八面体面上，并且台阶的边棱与钻石的八面体晶棱相平行。
下图为钻石菱形十二面体面上的生长脊，实际上就是钻石沿菱形晶面较短对角线的方向上发育一条隆起的线，是的菱面体晶面看上去就像两个有一定交角的三角形面。这种生长脊不是很高，若生长脊特别发育，则形成典型的四六面体单形。
为了更好的说明钻石的性质与结构密切相关，我们以石墨作为对比。钻石的同分异构体最常见的就是石墨，但是石墨的硬度却极低，与钻石的硬度截然相反，其最重要的原因就是两者之间的结构有着巨大的差异，在石墨结构的内部，一个C与三个C相互联结成键，构成层状结构，但是C有四个价电子，因此会剩下一个自由电子，因此在钻石的层内存在金属键，由于自由电子的存在，石墨具有良好的导电性，石墨的层与层之间靠分子键相互联结，由于这部分分子键的健强远小于C与C之间的共价键的健强，使得石墨的硬度远远低于钻石，另外，由于石墨晶体具有明显的层状的结构，因此石墨具有平行层面的极完全解理，集合体也常见层状结构。
好了，关于钻石的性质就分享到这里，希望对大家有所帮助。
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