钻石的晶体结构

钻石是一种由碳元素组成的矿物，几乎完全由单一碳原子组成，矿物名称为金刚石。钻石与常见的石墨的物质成分完全一致，均由纯碳元素构成，它们之间的区别在于不同的晶体结构。由于晶体结构的不同，钻石与石墨的物理性质有天壤之别。其中又以硬度的差别最大，钻石的硬度在所知的所有物质中最高，摩氏硬度为10，恰恰相反，石墨的硬度几乎最小，摩氏硬度甚至小于1；另外无色钻石是电的绝缘体，而石墨是电的良导体，常用于制作电极。

碳的原子序数为6，有2个电子层，其中内层的第一电子层由2个电子构成，外层由4个电子构成。根据原子物理学原理，原子的第一层可容纳2个电子，第二层可容纳8个电子。当原子的外电子层填满时，原子的化学性质呈惰性，例如惰性气体氖等；当原子的外电子层未填满时，原子的化学性质活泼。碳原子内层的第一电子层为稳定的电子层，外层的第二电子层由于没有填满8个电子，为不稳定电子层，因而碳原子化学性质活泼。碳原子外层的4个电子可以与其他原子外层的电子发生作用而产生价键结合，非常容易发生化学反应，例如与空气中的氧反应发生燃烧。另外，由于外层自由电子的存在，碳也是电的良好导体。

在钻石的结晶过程中，碳原子外层的4个自由电子与周围的碳原子的外层自由电子产生共价键结合，每一碳原子可与周围4个碳原子结合，形成立方晶体结构，如图1-2所示。当1个碳原子与周围的4个碳原子结合时，每一碳原子都与另外1个碳原子各贡献1个外层电子组成1个共价键。在钻石晶体中，每一个碳原子都有4个共价键和8个共价电子，从而使每一碳原子都形成一个稳定的原子结构。相邻的碳原子之间共享的共价键电子对产生极强的结合，使相邻的碳原子紧密地结合在一起。钻石晶体中碳原子之间的距离为154Å(1 Å=10-10m），碳原子之间由共价键结合形成紧密的立方结构，因此，钻石的晶体结构是所有已知晶体中最坚固的。最坚固的钻石晶体结构必然导致最高的硬度。

图1-2 钻石的晶体结构

钻石晶体中每一个碳原子与周围的4个碳原子结合，碳原子之间的距离为154Å，碳原子之间由共价键结合形成紧密的立方结构

石墨晶体结构与钻石的立方结构不同，每一碳原子与周围在同一晶体面上的3个碳原子结合。每一碳原子都剩余1个外层电子，使每一碳原子都没有达到稳定状态。在石墨晶体的层与层之间没有价键连接，为十分不稳定结构，所以其硬度极低；另外，碳原子晶体层之间的滑动摩擦系数很小，因此，石墨是一种非常好的润滑填充剂。

在钻石结晶过程中，晶体沿特定晶面生长。最常见的钻石晶形是八面体。钻石八面体的8个面都是面积相等的等边三角形。其他的晶形有菱形十二面体、立方体、三八面体和聚形等。图1-3所示为天然钻石的天然晶形和利用相似晶形、颜色的天然钻石晶体所加工出的彩色钻石。

图1-3 天然钻石的晶形和利用相似晶形、颜色的天然钻石晶体所加工出的彩色钻石（Robert Weldon/Courtesy of Aurora Gem Collection）

图1-3中后排左起第五颗**天然钻石晶体是晶形和晶面都非常好的典型八面体；后排左起第四颗**天然钻石晶体也是八面体，但晶面受到磨损变得圆滑而不平整，晶面交角也失去棱角变成不规则圆弧形；后排最右边两颗绿色天然钻石晶体都呈立方体；后排左起第三颗**天然钻石的晶形为典型经磨损的三八面体；后排最左边两颗天然钻石晶体都是不规则形状，由最左边的那颗形状不规则的天然钻石晶体可以切割出紫红或粉红紫红色的刻面彩色钻石，十分难得。形状不规则的天然钻石晶体都是由于外力的破坏，通常是在冲刷过程中钻石之间的摩擦和钻石与砂石之间的摩擦，以及开采过程中的撞击造成的。

因为彩色钻石价格昂贵，而且价格与切工和净度关系不大，切割彩色钻石时，首先要考虑的是获得最大重量。刻面彩色钻石的形状要与原天然晶体形状尽量相似以获得最大重量。市面上绝大多数的彩色钻石的形状都是不规则的花形切工，很少见到理想亮圆形切工的彩色钻石。1997年在日内瓦以805000美元拍卖成交的一颗175ct的紫红红色钻石的形状与原晶体形状相似，主要的加工是将原晶体的自然面抛光。

钻石晶体也可能呈双晶或是多晶。图1-4是一颗晶形十分完整的天然双晶钻石晶体，主要晶体呈典型的八面体，在顶部又生长出一个小八面体。这一双晶钻石晶体的颜色为灰色，是由在钻石晶体中含有许多微小的石墨晶体或未结晶的炭黑造成的。由于石墨或炭黑呈黑色，几乎完全吸收可见光，即使很低的含量也会使得钻石变为灰色，甚至是黑色。天然灰色和黑色钻石原石一般用于工业用途。这颗灰色天然双晶钻石晶体来自钻石次生矿，经冲刷和磨损，晶面和棱角都呈圆滑状。

图1-5是另外一种天然双晶钻石晶体，由两个立方体互相嵌入构成穿插双晶（Pene—tration twin）。这颗天然双晶钻石晶体的颜色为**，如果精心加工以增强饱和度，它可能成为一颗彩**钻石。这颗**天然双晶钻石晶体的晶面和棱角都为圆滑状，也来自钻石次生矿。

图1-4 由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体

（刘严摄影/刘严收藏）

图1-5 由两个立方体构成的天然穿插双晶

（刘严摄影/刘严收藏）

钻石原石可以看表面金刚石晶面熔蚀现象

金刚石在金伯利岩岩浆的浑圆化作用下，使晶体上布满了各种形态的蚀象，与此同时与金刚石伴生的镁铝榴石、镁橄榄石、铬尖晶石等同样产生了蚀象。浑圆化作用包含了熔蚀作用，尤其是内成稳定阶段金刚石相中的金刚石，晶面蚀象严重，膨胀阶段金刚石相中的金刚石，由于熔蚀作用较短，蚀象一般不明显。复杂的金刚石蚀象，在晶体的分布有一定规律，它反映了晶体构造特征，三方生长层(阶梯状)是生长态，复三方生长层认为是熔蚀态，蚀象按形态分为11种(图28)。

21倒三角凹坑蚀象

在平面-曲面晶体的八面体(111)晶面上，与(111)三角形晶面构成反向平行。由于熔蚀程度不同，三角形大小不等，小的成显微状，大的占据一定晶面，三角形的锐角在不断熔蚀作用下形成四边形、五边形、六边形。凹坑深浅不一，浅的凹坑平缓状，深的为三角锥状，在三角形凹坑中，还可出现阶梯状。三角形凹坑在晶面上分布有的十分密集，也有稀疏状零星散布于晶面上。在三角形凹坑底部，还可出现更小的三角凹坑蚀象分布。三角形凹坑蚀象与晶体均造关系为三边一底与八面体面网平行。

22四角凹坑蚀象

在平面-曲面晶体的六面体(100)晶面上，它与六面体晶面外形差45°，四角凹坑大小不等，小的成显微状，大的占据一定晶面，凹坑深浅不一，有的成四角锥状，在四角凹坑中可出现阶梯状，在同一晶面中可出现几组大小四角凹坑蚀象分布。四角凹坑蚀象与晶体构造关系为四边一底与八面体、六面体面网平行。

23蛀穴状蚀象

在阶梯状发育的似菱形十二面体及平面一曲面晶体中。蛀穴外形成规则的圆形凹坑及不规则港湾状，蛀穴凹坑深度不一，有的似水果被虫咬似的，部分蛀穴深入晶体内部，在边部及底部常有其它蚀象分布。

24麻点状蚀象

在曲面晶体上，由大小一致的麻点状熔蚀凹坑密集分布，凹坑一般不深。

25圆板状蚀象

在曲面晶体上有多层状圆板凸出台面或凹形圆板，在圆板状蚀象上还可出现其它形状的蚀象。

26块状蚀象

在曲面晶体上由不规则的凹形及凸形块段组成。

27束状晕线

一组密集的线状突起分布在曲面晶体上，在面缝合线或六面体晶棱处褶曲。

28滑线

在平面-曲面晶体及曲面晶体中，金刚石处于塑性体时沿八面体面网间距的滑动产生塑性变形，滑线是由于熔蚀作用使塑性变形在晶面上反映。八面体(111)晶面上可见三组方向滑线，平行于八面体晶棱(110)面及(111)面。平面晶体滑线不明显或较细微，曲面晶体则十分明显，外形成一种雕刻线状。滑线常伴有倒三角形凹坑蚀象，倒三角蚀象往往形成链状，滑线可切穿(111)面进入曲面晶体，再进入另一晶面(111)。当滑线在曲面晶体中时，三角锥小丘的一个棱和滑线方向一致，其余两个棱构成杉针状外形。

29叠瓦状蚀象

在曲面晶体、平面-曲面晶体中，由三角锥小丘互相叠加而成，常沿滑线分布。三角锥小丘进一步熔蚀成乳滴状小丘。

210熔蚀沟

在平面-曲面晶体、曲面晶体的破裂纹上，晶面交线、晶棱、解理、双晶面、交叉连生缝合线等金刚石结构薄弱环节上，常出现一种槽形熔蚀沟。

211毛玻璃蚀象

为一种轻度、均匀、密集质点状熔蚀凹坑，晶面呈粗糙云雾状，金刚石成乳白色，透明度降低。

此外,还可以用其它一些物理方法鉴别

钻石原始晶面属于八面体特征。钻石原石的晶面特征，一个是晶面上的倒三角形的溶蚀坑，这个最好还找个十倍放大镜去观察，这样比较清楚，因为很多溶蚀坑是很小的。

表面常有许多生长标志，如三角锥（座）、三角凹坑、台阶状生长纹等。另外，在钻石表面及内部常见许多清晰的与钻石结构有关的线，例如生长纹、双晶纹等。有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。许多金刚石带些**，这主要是由于金刚石中含有杂质。

鉴别特征

钻石为单晶体矿物，属于等轴晶系，常见的晶形多呈八面体、菱形十二面体、立方体、八面体跟菱形十二面体的聚形等。最常见的就是八面体，大部分钻石原石都是这个形状。晶面生长台阶，三角形的生长台阶，沿着八面体上面的三角形一层一层往外面生长。

钻石的摩氏硬度为10，是自然界中硬度最高的物质，它的绝对硬度是石英的1000倍、刚玉的150倍。如果用钻石原石磨其他东西是可以磨碎的，所以可以用可能是钻石原石的石头，去磨其他石头，如果磨不动并且它的表面掉粉，可以肯定不是钻石原石了。

常见的晶体有钻石，石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精；常见的非晶体有石蜡，松香，沥青、橡胶，玻璃。

晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。

晶体内部原子或分子排列的三维空间周期性结构，是晶体最基本的、最本质的特征。

非晶体是无定形体，或称非晶体、非晶形固体，是其中的原子不按照一定空间顺序排列的固体，与晶体相对应。

常见的无定形体包括玻璃和很多高分子化合物如聚苯乙烯等。只要冷却速度足够快，任何液体都会过冷，生成无定形体。其中，原子尚未排好在热力学上有利的晶态中的晶格或骨架便已失去运动速度，但仍保留有液态时原子的大致分布。

扩展资料：

晶体和非晶体的判断：

1、根据构成晶体的粒子和粒子间的作用力类型进行判断。

如由分子通过分子间作用力形成的晶体属于分子晶体。由原子通过离子键形成的晶体属于原子晶体；又阴、阳离子通过离子键形成的晶体属于离子晶体；由金属阳离子和自由电子通过它们之间较强的作用形成的晶体属于金属晶体。 

2、根据各类晶体的特征性质判断。

如低熔、沸点的化合物一般为分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔化状态下能导电的化合物一般为离子晶体。

熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质一般为原子晶体；晶体能导电、传热，具有延展性的为金属晶体。 

3、根据物质的分类判断。

活泼金属氧化物（如K2O、Na2O2等）、强碱（如NaOH、KOH等）和绝大多数盐类是离子晶体。大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅外）、气态氢化物、非金属氧化物（除SiO2外）、酸、绝大多数有机物（除有机盐外）是分子晶体。

常见的原子晶体单质有金刚石、晶体硅等；常见的原子晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。金属固态单质（注意：汞在常温下为液体）属于金属晶体。

——晶体

——非晶体