[科普中国]-金刚石

金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身，它是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵重宝石。

物性数据1. 性状：粉末

2. 密度（g/mLat 25°C）：3.5

3. 熔点（ºC）：3550°C-4000°C

4.绝对硬度：10000-2500

计算化学数据1、 疏水参数计算参考值（XlogP）：-1.1

2、 氢键供体数量：0

3、 氢键受体数量：2

4、 可旋转化学键数量：0

5、 互变异构体数量：

6、 拓扑分子极性表面积（TPSA）：34.1

7、 重原子数量：2

8、 表面电荷：0

9、 复杂度：0

10、 同位素原子数量：0

11、 确定原子立构中心数量：0

12、 不确定原子立构中心数量：0

13、 确定化学键立构中心数量：0

14、 不确定化学键立构中心数量：0

15、 共价键单元数量：11

物理性质硬度摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。

依照摩氏硬度标准(Mohs hardness scale)共分10级，钻石(金刚石)为最高级第10级；如小刀其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。

由于硬度最高,金刚石的切削和加工必须使用钻石粉或激光(比如532nm或者1064nm波长激光)来进行。金刚石的密度为3.52g/cm，折射率为2.417(在500纳米光波下)，色散率为0.044。2

颜色金刚石有各种颜色，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。许多金刚石带些黄色，这主要是由于金刚石中含有杂质。 金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石原生矿仅产出于金伯利岩筒或少数钾镁煌斑岩中。金伯利岩等是它们的母岩，其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000℃时，它会缓慢地变成石墨。

中国也拥有制造金刚石的技术，但最大也不过0.2克拉左右。

引用亚洲宝石协会（GIG）报告：金刚石的化学成分为C，与石墨同是碳的同质多象变体。在矿物化学组成中，总含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等杂质元素，以及碳水化合物。

金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为154pm。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。

金刚石的绝对硬度是刚玉的4倍，石英的8倍。详细绝对硬度如下：

金刚石10000-2500

刚玉2500-2100

石英1550-1200。

矿物性脆，贝壳状或参差状断口，在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开，具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。矿物质纯，密度一般为3470-3560kg/m3。金刚石的颜色取决于纯净程度、所含杂质元素的种类和含量，极纯净者无色，一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等；纯净者透明，含杂质的半透明或不透明；在阴极射线、X射线和紫外线下，会发出不同的绿色、天蓝、紫色、黄绿色等色的荧光；在日光曝晒后至暗室内发淡青蓝色磷光；金刚光泽，少数油脂或金属光泽，高折射率，一般为2.40-2.48。2

化学性质金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体，是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体，其成分为纯碳，由碳原子以四价键链接，为目前已知自然存在最硬物质。由于金刚石中的C-C键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石硬度非常大，熔点在华氏6900度，金刚石在纯氧中燃点为720~800℃，在空气中为850~1000℃，而且不导电。2

结构性质金刚石结构分为；等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。

在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

钻石的摩氏硬度为10；由于在自然界物质中硬度最高，钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。钻石的密度为3.52g/cm3，折射率为2.417，色散率为0.044。2

光学性质(1) 亮度（Brilliance）金刚石因为具有极高的反射率，其反射临界角较小，全反射的范围宽，光容易发生全反射，反射光量大，从而产生很高的亮度。

(2) 闪烁（Scintillation）金刚石的闪烁就是闪光，即当金刚石或者光源、 观察者相对移动时其表面对于白光的反射和闪光。无色透明、结晶良好的八面体或者曲面体聚形钻石，即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。

(3) 色散或出火（Dispersion or fire）金刚石多样的晶面象三棱镜一样，能把通过折射、反射和全反射进入晶体内部的白光分解成白光的组成颜色——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光。

(4) 光泽（Luster）刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用特别强烈，而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽2。

稳定性金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用，只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中，或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。

金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯Ⅱb型金刚石具良好的半导体性能。根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异，可将金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两类，并进一步细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四个亚类。Ⅰ型金刚石，特别是Ⅰa亚型，为常见的普通金刚石，约占天然金刚石总量的98%。Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮，具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。Ⅱ型金刚石极为罕见，含极少或几乎不含氮，具有良好的导热性和曲面晶体的特点。Ⅱb亚型金刚石具半导电性。由于Ⅱ型金刚石的性能优异，因此多用于空间技术和尖端工业。

世界上最大的工业用金刚石和宝石级金刚石都超过3100克拉（1克拉=200毫克）。其中宝石级金刚石的尺寸为10×6.5×5厘米，名叫“库利南”，1905年发现于南非的普雷米尔岩管。中国常林钻石，重158.786克拉，于1977年被山东临沭县常林大队女社员魏振芳发现，后列为世界名钻。世界金刚石主要产地有南非、澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯。2

金刚石和石墨石墨和金刚石都属于碳单质，他们的化学性质完全相同，但金刚石和石墨不是同种物质，它们是由相同元素构成的同素异型体。 所不同的是物理结构特征。

二者的化学式都是C。

石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状。

金刚石原子间是立体的正四面体结构。

金刚石和石墨的熔点比较：

金刚石的熔点是3550℃，石墨的熔点是3652℃～3697℃(升华)。石墨熔点高于金刚石。

从片层内部来看，石墨是原子晶体；从片层之间来看，石墨是分子晶体(总体说来，石墨应该是混合型晶体)；而金刚石是原子晶体。石墨晶体的熔点反而高于金刚石，似乎不可思议，但石墨晶体片层内共价键的键长是1.42×10－10m，金刚石晶体内共价键的键长是1.55×10－10m。同为共价键，键长越小，键能越大，键越牢固，破坏它也就越难，也就需要提供更多的能量，故而熔点应该更高。 (主要就是石墨的原子晶体属性导致它的熔点变高)2

人造金刚石人工合成金刚石的方法主要有两种，高温高压法及化学气相沉积法。

高温高压法技术已非常成熟，并形成产业。国内产量极高，为世界之最。

化学气相沉积法仍主要存在于实验室中。2

主要产地伯纳特兄弟于1870年发现了金伯利金刚石矿。正是这一发现，使人们知道了在哪种岩石中有可能含有金刚石。

原来，那是一种在远古时代的岩浆冷却以后所形成的火山岩。接着，研究者又发现，在这种火山岩中除了金刚石，还含有被称为石榴石和橄榄石的两种矿物。因此，在那些出产石榴石和橄榄石的地点，找到金刚石矿的可能性就相对大。于是，石榴石和橄榄石就成为寻找金刚石的“指示矿物”。

根据指示矿物来寻找金刚石矿的方法并不是在哪一天突然发现的。上世纪70年代，美国史密森研究所的地球化学家约翰·贾尼在仔细研究了石榴石和金刚石之间的关系后发表了他的研究结果。但是，在那之前，即上世纪50年代，德比尔斯公司的地质人员早就根据指示矿物在世界各地寻找金刚石矿了。

世界各地都发现了金刚石矿。其中，澳大利亚、刚果、俄罗斯、博茨瓦纳和南非是著名的五大金刚石产地。

美国马萨诸塞大学的地球物理学家史蒂文·哈格蒂博士在1999年研究了世界各地含有金刚石的熔岩的年代，结果发现，这些含有金刚石的熔岩至少是在过去7个不同的时期在各地喷出的岩浆所形成的，其中最古老的熔岩则是在大约10亿年前形成的。在这7个岩浆喷发时期中，以在非洲各地和巴西等地区于1.2亿年前至8000万年前喷出的岩浆中所含有的金刚石为最多。那时正值恐龙时代极盛期的中生代白垩纪。含有金刚石的熔岩，最晚的，是在2200万年以前喷出的岩浆形成的。至于在那以后形成的熔岩中是否含有金刚石，则还无法肯定。

1971年以来的二十年中，在中国陆续发现了几颗50克拉以上和100克拉以上的金刚石，按发现时间的先后排列如下：

1．1971年9月25日，在江苏省宿迁公路旁发现一颗重52．71克拉的金刚石。

2．1977年12月21日，在山东省临沭县常林大队，女社员魏振芳发现1颗重158.786克拉的优质巨钻，全透明，色淡黄，可称金刚石的“中国之最”。被命名为“常林钻石”

3．1981年8月15日，在山东郯城陈埠发现一颗124．27克拉的巨粒金刚石。被命名为“陈埠一号”。

4．1982年9月，在山东郯城陈埠发现一颗96．94克拉的金刚石。

5．1983年5月，在山东郯城陈埠发现一颗92．86克拉的金刚石。

6．1983年11月14日，在山东蒙阴发现一颗119．01克拉的巨粒金刚石，被命名为“蒙山一号”。蒙阴金刚石矿是全国最大的原生矿。

据1987年资料，中国主要金刚石成矿区有：①辽东—吉南成矿区，有中生代和中古生代两期金伯利岩。②鲁西、苏北、皖北成矿区，下古生代可能有多期金伯利岩。③晋、豫、冀成矿区，已在太行山、嵩山、五台山等地发现金伯利岩。④湘、黔、鄂、川成矿区，已在湖南沅水流域发现了4个具工业价值的金刚石砂矿。

湖南金刚石，产于湖南省常德丁家港、桃源、黔阳等地。湖南金刚石以砂矿为主，主要分布在沅水流域，分布零散，品位低，但质量好，宝石级金刚石约占40%。相传在明朝年间，湖南沅江流域就有零星的金刚石发现，大规模的寻矿则始于二十世纪五十年代。沅江整个水域均有金刚石分布，但有开采价值的仅常德丁家港、桃源县车溪冲、溆浦县（黔阳）新庄垅、沅陵县窑头等4处。

湖南金刚石的颜色深浅不一，内外颜色差异明显，呈带状、斑状分布。其褐色系列金刚石，晶体呈黄褐色，内部洁净，表面有大量的褐色斑点，其褐斑的颜色有黄色、黄褐色、褐色、黑色等，主要分布在金刚石的溶蚀面上，褐色主要由自然界放射性粒子的辐照造成。金刚石总体颗粒小，但质地较好，以单晶为主，约占总产量的98%；晶体比较完整，以八面体、十二面体、六八面体为多；绝大多数晶体浅色透明或呈黄、褐色等；粒重多小于28mg，一般为10.9～15mg；22%晶体中含包裹体；60%的晶体表面有裂纹，表面溶蚀不重。2

用途工业用途地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、磨料用金刚石、修整器用金刚石、玻璃刀用金刚石、硬度计压头用金刚石、工艺品用金刚石。

若涂在音响纸盆上，音箱音质会大为改善。

慢性毒药文艺复兴时期，用金刚石粉末制成的慢性毒药曾流行在意大利豪门之间。当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上，在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。

观赏宝石钻石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉，成为女士最爱的宝石。巨型的美钻可以价值连城。而掺有深颜色的钻石的价钱更高。目前最昂贵的有色钻石，要数带有微蓝的水蓝钻石。

钻石分为一型和二型两种，这主要是根据它是否含有N元素：一型含；二型不含。而蓝色的钻石是二B型的，是半导体。3

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学