Tại sao kim cương lại đất hơn than chì

Giữa than chì và kim cương có một mối liên kết với nhau, kết nối đó là gì và tại sao độ cứng lại khác nhau một trời một vực như vậy? CùngVnReviewtìm hiểu điều này qua bài viết từ trang khoa họcScienceABC.

Câu trả lời ngắn: kim cương và than chì là hai dạng thù hình của cùng một nguyên tố [Cacbon] và sự khác biệt về tính chất là kết quả của sự sắp xếp cấu trúc tinh thể của chúng.

Thế nào là thù hình?

Dạng thù hình của một nguyên tố là khả năng tồn tại dưới nhiều hình dạng trong cùng một trạng thái vật lý với sự sắp xếp các nguyên tử khác nhau. Các hình dạng khác nhau này được gọi là dạng thù hình của một nguyên tố hóa học nhất định.

Chẳng hạn, nguyên tố photpho trong tự nhiên có ba dạng thù hình là phốt pho đỏ, phốt pho đen và phốt pho trắng. Nguyên tố oxy có hai dạng thù hình phổ biến là oxy và ozon.

Sau đây là một ví dụ trực quan để minh họa cho các dạng thù hình của một nguyên tố. Hãy tưởng tượng bạn có 36 quả banh và bạn có thể sắp xếp chúng theo những dạng hình học trực quan khác nhau. Trong trường hợp này, các quả bóng đại diện cho các nguyên tử và các hình dạng khác nhau này chính là các dạng thù hình.

Từ ví dụ trên ta thấy rằng các dạng thù hình của cùng một nguyên tố có sự sắp xếp các liên kết khác nhau, do đó làm phát sinh các tính chất hóa học và vật lý khác nhau. Các hình minh họa dưới đây mô tả các dạng thù hình của Photpho và Oxy trong tự nhiên.

Các dạng thù hình của cacbon

Cacbon có có khả năng hình thành nhiều dạng thù hình nhờ vào cấu trúc hóa học của nó. Cacbon có 6 nguyên tử và 4 electron hóa trị ở lớp vỏ.

Đến nay, các nhà khoa học đã xác định được không dưới 8 dạng thù hình của cacbon và quá trình nghiên cứu tìm các dạng thù hình mới vẫn còn tiếp diễn.

Tuy nhiên, trong tất cả các dạng thù hình được biết đến, nổi tiếng nhất vẫn là kim cương và than chì. Mặc dù thành phần của chúng là như nhau, nhưng thể hiện tính chất hóa học và vật lý hoàn toàn khác nhau, nhờ vào sự sắp xếp của các nguyên tử cacbon bên trong.

Nhưng tại sao kim cương cứng, than chì lại mềm dù cấu tạo từ cùng một nguyên tố? Câu trả lời hướng đến một yếu tố duy nhất là hình học.

Sự sắp xếp của các nguyên tử carbon trong kim cương ở dạng tứ diện, đồng nghĩa rằng mỗi nguyên tử carbon được gắn liền với 4 nguyên tử cacbon khác, hình thành liên kết hóa trị mạnh mẽ.

Sự sắp xếp tinh thể này rất thuận lợi và đem đến đặc điểm sức mạnh, độ bền và độ cứng cho kim cương. Để làm xước hoặc phá vỡ kim cương đòi hỏi một lực cực lớn, và chính cấu trúc này khiến kim cương trở thành một trong những vật liệu cứng nhất trong tự nhiên.

Than thì thì hoàn toàn ngược lại với sự sắp xếp hình học hoàn toàn khác so với kim cương. Các nguyên tử cacbon xếp thành các lớp 2D, mỗi nguyên tử cacbon sẽ liên kết với ba nguyên tử cacbon khác để hình thành nên hình sáu cạnh trong một chuỗi dài vô hạn. Dù liên kết nguyên tử trong mỗi lớp là các liên kết cộng hóa trị và khá mạnh [tương đương kim cương] nhưng liên kết giữa các lớp với nhau lại rất yếu [do lực Van der Waals].

Kết quả của sự sắp xếp này là các lớp trượt lên nhau và có thể tách khỏi nhau dễ dàng. Những liên kết yếu giữa nhiều lớp nguyên tử carbon làm cho than chì được sử dụng phổ biến trong bút chì và có thể gọt dễ dàng. Bên cạnh mềm và trơn, than chì cũng có mật độ thấp hơn nhiều so với kim cương.

Chỉ cần có thể thay đổi cấu trúc than chì, các nhà khoa học có thể biến chúng thành kim cương dễ dàng. Và thực tế, họ đã làm như vậy.

Theo Vnreview

Chi phí khai thác đắt đỏ, ảnh hưởng của độc quyền và những vấn đề liên quan đến tính hợp pháp của loại đá quý này khiến chúng luôn có giá cao ngất ngưởng.

Sản lượng khai thác thô toàn cầu thường vượt 150 triệu tấn/năm, nhưng giá trị của kim cương vẫn luôn ở mức hàng triệu đô.

Theo hãng kim cương lớn nhất thế giới De Beers, dù sản lượng sụt giảm liên tục và phải chuyển qua nhiều khu vực mới để khai thác, nhưng mỗi năm, lượng cung kim cương trên toàn cầu vẫn lên tới vài chục triệu tấn. Như vậy, kim cương chưa phải loại vật chất quá "hiếm có khó tìm". Nhưng vì đâu chúng có giá cao ngất ngưởng và là nguyên nhân gây ra nhiều cuộc đổ máu trên toàn thế giới?

Thực tế, người Nam Phi từng dùng kim cương làm tiền gửi tiết kiệm trong ngân hàng từ hàng trăm năm trước, bởi vùng đất này có trữ lượng kim cương hàng đầu thế giới. Khan hiếm vật lý không phải là nguyên nhân chính dẫn tới sự đắt đỏ của kim cương, mà đó là do chi phí khai thác đắt đỏ, ảnh hưởng của độc quyền và những vấn đề liên quan đến tính hợp pháp của loại đá quý này.

Phải khẳng định ngay rằng, không phải viên kim cương nào mức giá cũng đắt đỏ đến thế. Giá trị của kim cương được định theo 4 chữ C: trọng lượng [Carat], độ tinh khiết [Clarity], màu sắc [Colour] và độ sáng [Cut - số lượng và cách thức cắt mặt kim cương]. Điều này khiến những viên kim cương sử dụng trong công nghiệp trang sức có giá cao hơn hẳn loại dùng trong ngành công nghiệp khác, như khai khoáng [nơi kim cương dùng làm mũi khoan] hay các ngành chế tạo [nơi kim cương được dùng làm dao cắt].

Có cấu trúc tinh thể gồm cacbon nguyên chất, trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với 4 nguyên tử khác, kim cương có độ cứng [được coi là khoáng vật cứng nhất tìm thấy trong tự nhiên], khả năng tán sắc tốt và chịu nhiệt rất cao. Theo các nghiên cứu, dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất bình thường, một viên kim cương chỉ có thể bị biến thành than chì với thời gian tương đương thời gian vũ trụ hình thành cho tới nay [15 tỷ năm].

Vì chỉ được tạo thành trong một môi trường có nhiệt độ và áp suất đủ lớn, nên việc khai thác kim cương rất khó khăn. Hầu hết khoáng vật này chỉ được tìm thấy ở những miệng núi lửa đã tắt, hoặc phải đào rất sâu trong những mạch khoáng ngầm, và tập trung tại một số khu vực trên thế giới, bao gồm Nam Á, châu Phi và Bắc Mỹ.

Việc tìm kiếm được một mỏ kim cương có trữ lượng đủ để khai thác công nghiệp có thể tiêu tốn khoảng thời gian lên tới hàng thập kỷ, với lượng nhân công thường trực vài trăm người. Và để có thể khai thác được một carat kim cương [tương đương 20mg], khối lượng đất đá phải đào, sàng lọc trung bình là 1,3 triệu tấn.

Sau khai thác, nhưng viên đá đạt được 3 tiêu chí C đầu tiên sẽ được dùng để cắt thành những sản phẩm trang sức. Một viên kim cương thô khi đến tay thợ cắt chỉ có giá trị bằng 40% kim cương đã qua xử lý. Bởi sau mỗi lần cắt, khối lượng của chúng lại hao hụt đi nhiều.

Ngoài ra, giá trị kim cương không tăng đều theo khối lượng của chúng, viên càng to càng có giá cao vượt trội [một viên kim cương 0,85 carat có giá chưa bằng một nửa so với viên 1,05 carat cùng loại]. Mỗi viên kim cương, tùy vào hình dạng, có thể được cắt với số mặt khác nhau, nhưng thông thường sẽ dao động từ 30 đến 60 mặt cắt. Công việc cắt và đánh bóng kim cương đều được làm thủ công, do đó, chi phí cho khâu này là rất lớn.

Ngày nay, kim cương trên thế giới nằm phần lớn trong tay một số công ty khai thác tư nhân, như Alrosa, Debswana, BHP Billiton hay De Beers, trong đó lớn nhất là De Beers. Công ty này từng nắm giữ tới 80% lượng kim cương toàn cầu, và cũng là đơn vị đã định ra giá trị cực lớn của khoáng vật này. Theo thống kê của trang The Diamond Registry, giá của kim cương không màu dao động từ 6.650 USD đến 254.625 USD/carat, tùy thuộc vào kích cỡ từ 1 đến hơn 10 carat.

Với mức giá đắt đỏ, kim cương ngày càng trở thành món hàng ưa thích của giới buôn lậu, và là nguồn gốc cho những khoản tài trợ khủng bố, tranh chấp quân sự. Thành phố Surat, ở bang Gujarat, miền Tây Ấn Độ được coi là chợ trời kim cương lớn nhất thế giới, nơi những viên "kim cương máu" [kim cương khai thác lậu, có được do tranh chấp, hoặc dùng để tài trợ cho các hoạt động quân sự chống lại Nhà nước] được chùi sạch sẽ trước khi chuyển đến tay người tiêu dùng toàn cầu. Tại đây, người ta sẽ đo khối lượng, làm giả giấy tờ cho chúng. Mỗi năm, từ khu chợ trời này, lượng kim cương có giá trị khoảng 3-5 tỷ USD được tỏa đi khắp thế giới.

Theo Zing