Công thức hóa học của kim cương là gì? Giải đáp chi tiết

Kim cương từ lâu đã được tôn vinh là vua của các loại đá quý nhờ vẻ đẹp lấp lánh tuyệt đẹp và độ cứng vô song. Viên kim cương tự nhiên có giá trị cực kỳ đắt đỏ, nhưng bạn có biết công thức hóa học của kim cương là gì? Thực tế, thành phần hóa học của kim cương lại vô cùng đơn giản và tinh khiết. Bài viết này sẽ giải đáp chi tiết về công thức hóa học của kim cương, nguyên tố tạo nên kim cương, cùng các tính chất nổi bật làm nên giá trị của loại đá quý đặc biệt này.

Sơ lược sự hình thành của kim cương

Kim cương thô kết tinh từ carbon trong môi trường áp suất và nhiệt độ rất cao dưới lòng đất. Kim cương hình thành sâu trong lòng Trái Đất từ những khoáng vật giàu carbon, dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Trong lục địa, kim cương bắt đầu kết tinh ở độ sâu khoảng 150 km dưới mặt đất, nơi áp suất khoảng 5 GPa (50.000 atm) và nhiệt độ gần 1200°C. Ở môi trường đại dương, quá trình này xảy ra ở tầng đá sâu hơn do cần nhiệt độ và áp suất cao hơn nữa. Khi áp suất và nhiệt độ từ từ giảm xuống, các tinh thể kim cương có điều kiện phát triển kích thước lớn dần.

Kim cương không hình thành từ bề mặt Trái Đất mà từ trong lớp phủ sâu. Nhiều viên kim cương được mang lên gần bề mặt nhờ các đợt phun trào núi lửa mạnh từ lòng đất. Dung nham núi lửa đã cuốn theo kim cương (ẩn trong các mảnh đá cổ gọi là xenolith) trồi lên trên, sau đó nguội đi hình thành các ống dung nham chứa kim cương. Hai loại đá núi lửa nổi tiếng có khả năng chứa kim cương là kimberlite và lamproite – chúng được xem là nguồn cung kim cương chủ yếu trong tự nhiên. Bên cạnh đó, một phần rất nhỏ kim cương có thể được hình thành từ các sự kiện đặc biệt như vụ va chạm thiên thạch (carbon kết tinh do áp suất và nhiệt độ cực cao khi va chạm) hoặc lắng đọng trong lớp phủ qua hàng tỷ năm.

Nghiên cứu đồng vị carbon cho thấy carbon tạo thành kim cương có thể bắt nguồn từ cả vật liệu vô cơ lẫn hữu cơ trong tự nhiên. Nguồn vô cơ tiêu biểu là carbon từ các khoáng carbonate sâu trong lòng đất; nguồn hữu cơ là carbon từ xác thực vật bị chôn vùi hàng trăm triệu năm trước. Dưới điều kiện địa chất thích hợp, các nguồn carbon này kết tinh dần thành kim cương. Đa số kim cương tự nhiên chúng ta thấy ngày nay được hình thành cách đây khoảng 1 đến 3,5 tỷ năm trong lòng Trái Đất.

Công thức hóa học của kim cương

Về bản chất hóa học, kim cương là một dạng tinh thể của nguyên tố carbon (C) tinh khiết. Nói cách khác, nguyên tố hóa học của kim cương chính là carbon, và chất cấu thành chủ yếu của mỗi viên kim cương cũng chính là nguyên tố carbon đó. Trong mạng lưới tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ với 4 nguyên tử carbon khác xung quanh bằng liên kết cộng hóa trị, tạo thành cấu trúc không gian ba chiều cực kỳ bền vững. Chính cấu trúc đặc biệt này giúp kim cương có độ cứng vượt trội, trở thành vật liệu tự nhiên cứng nhất từng được biết đến. Trên thang độ cứng Mohs, kim cương đạt điểm 10/10, cao hơn rất nhiều lần so với khoáng vật đứng thứ hai là corundum (9/10). Nhờ vậy, kim cương có khả năng cắt hay khắc mọi chất liệu khác, thậm chí chỉ có kim cương mới có thể cắt được kim cương.

Tuy kim cương hầu như chỉ gồm nguyên tố carbon, trong tự nhiên đôi khi vẫn có một lượng rất nhỏ tạp chất nguyên tố khác tồn tại trong mạng tinh thể kim cương. Những nguyên tố tạp chất phổ biến có thể kể đến là nitơ (N), boron (B), silic (Si), hoặc một số kim loại vi lượng… Chúng thay thế cho một số nguyên tử carbon trong cấu trúc mạng, từ đó ảnh hưởng đến màu sắc và độ trong của kim cương. Chẳng hạn, nitơ là tạp chất thường gặp nhất và gây cho kim cương màu ngả vàng, còn boron (bo) hiếm hơn có thể làm kim cương có màu xanh lam. Dù vậy, hàm lượng tạp chất trong kim cương tự nhiên thường rất thấp (chỉ vài phần triệu), nên về phương diện hóa học có thể coi công thức của kim cương gần như là C (carbon nguyên chất).

Cấu trúc tinh thể kim cương

Kim cương kết tinh trong hệ tinh thể lập phương có tính đối xứng rất cao (cấu trúc khối hình lập phương tâm diện, kiểu tinh thể FCC). Điều này có nghĩa là mỗi nguyên tử carbon nằm tại đỉnh và tâm các mặt của ô lập phương, liên kết với bốn nguyên tử carbon lân cận theo hình tứ diện. Cấu trúc tinh thể dạng mạng lưới ba chiều liên tục này tạo nên một khung sườn cực kỳ rắn chắc cho kim cương. Nhờ vậy, kim cương có khối lượng riêng khá cao, khoảng 3,51 g/cm³, nặng hơn đáng kể so với nhiều khoáng vật khác có cùng kích thước.

Một điểm đáng chú ý là kim cương là dạng thù hình đặc biệt của carbon. Carbon còn có một dạng thù hình phổ biến khác là than chì (graphite), cũng chỉ gồm nguyên tố carbon nhưng có cấu trúc tinh thể và tính chất hoàn toàn khác biệt. Chúng ta sẽ xem sự khác nhau giữa kim cương và than chì ngay dưới đây.

Kim cương và than chì có giống nhau không?

Kim cương và than chì đều có cùng công thức hóa học là C (carbon), nhưng cấu trúc tinh thể khác nhau nên tính chất hoàn toàn trái ngược. Trong than chì, các nguyên tử carbon xếp thành những lớp phẳng dạng lục giác, giữa các lớp liên kết rất yếu nên chúng dễ trượt lên nhau, khiến than chì mềm, dễ bong tróc và dẫn điện tốt nhờ các electron tự do.

Ngược lại, trong kim cương mỗi nguyên tử carbon liên kết với 4 nguyên tử khác theo mạng lập phương ba chiều, không có mặt phẳng “yếu”, nên kim cương cực kỳ cứng, trong suốt và không dẫn điện. Ở điều kiện thường, than chì mới là dạng bền hơn về mặt nhiệt động, nhưng quá trình kim cương chuyển thành than chì diễn ra cực kỳ chậm, gần như không xảy ra trong thực tế. Con người có thể biến than chì thành kim cương nhân tạo bằng công nghệ cao áp – cao nhiệt (HPHT), chứng minh sự khác biệt chủ yếu nằm ở cấu trúc, không phải thành phần hóa học.

Tham khảo thêm: Cấu trúc của kim cương và than chì khác nhau thế nào? 

Tính chất của kim cương

Kim cương không chỉ quý giá bởi độ hiếm, mà còn bởi hàng loạt tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Dưới đây là những tính chất nổi bật nhất của kim cương:

Độ cứng cực cao nhưng giòn

Kim cương là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên với độ cứng đạt 10/10 trên thang Mohs. Độ cứng của kim cương vượt xa so với corundum (đá sapphire/ruby, độ cứng 9) – trên thực tế kim cương cứng hơn corundum nhiều bậc lần. Tuy nhiên, kim cương không phải không thể phá hủy: do cấu trúc tinh thể có những mặt phẳng cát khai hoàn hảo, kim cương khá giòn khi chịu lực tác động mạnh theo hướng nhất định. Nó có thể nứt vỡ nếu bị va đập mạnh đúng vào hướng cát khai (câu chuyện kiểm định kim cương bằng búa thực ra không phải huyền thoại hoàn toàn). Vì vậy, mặc dù rất khó trầy xước, kim cương vẫn có thể bị mẻ vỡ nếu bị đánh mạnh.

Độ bền nhiệt và hóa học

Ở điều kiện thường, kim cương rất ổn định và trơ về mặt hóa học – nó không phản ứng với hầu hết các acid hoặc kiềm và hầu như không bị các tác nhân hóa học ăn mòn. Kim cương chỉ bắt đầu cháy trong không khí ở khoảng 800°C khi có đủ oxy, biến đổi thành khí CO₂. Trong môi trường chân không (không có oxy), kim cương sẽ ổn định đến nhiệt độ cao hơn nhiều (gần 1700°C mới bắt đầu chuyển dạng). Về mặt nhiệt động, kim cương có năng lượng cao hơn than chì, do đó về lâu dài kim cương có xu hướng chuyển thành than chì. Tuy nhiên, như đã đề cập, tốc độ chuyển đổi này cực kỳ chậm – một viên kim cương phải mất hàng tỷ năm mới phân hủy hết thành than chì ở điều kiện thường. Nói cách khác, kim cương gần như vĩnh cửu trong môi trường bình thường.

Màu sắc đa dạng

Kim cương tinh khiết hoàn toàn sẽ không màu, trong suốt như giọt nước. Tuy nhiên, đa phần kim cương tự nhiên đều có một chút màu sắc do lẫn tạp chất hoặc khuyết tật mạng tinh thể. Thường gặp nhất là kim cương hơi ngả vàng đến nâu nhạt, nguyên nhân là do một lượng nhỏ nguyên tử nitơ thay thế cho carbon trong mạng tinh thể. Nguyên tử nitơ hấp thụ chọn lọc ánh sáng xanh, làm viên kim cương hiện màu vàng. Tạp chất boron thì hiếm hơn nhưng sẽ làm kim cương có màu xanh lam (ví dụ viên Hope Diamond nổi tiếng có màu xanh do chứa boron). Ngoài ra, kim cương tự nhiên còn có thể có các màu hiếm hơn như hồng, đỏ, xanh lục, tím, cam, đen… tùy thuộc vào loại tạp chất hoặc khiếm khuyết cấu trúc. Những viên kim cương màu rực rỡ (Fancy color diamond) cực kỳ quý hiếm và giá trị cao trên thị trường. Ngược lại, các vệt màu vàng nâu kém hấp dẫn có thể làm giảm giá trị của kim cương trắng không màu.

Chỉ số chiết suất và độ tán sắc cao

Kim cương đã cắt mài có chiết suất rất cao (~2,42) và độ tán sắc mạnh, biến ánh sáng trắng thành quang phổ nhiều màu lấp lánh. Kim cương có chiết suất thuộc hàng cao nhất trong các khoáng chất thông thường – khoảng 2,417 ở bước sóng ánh sáng khả kiến, so với chiết suất ~1,5 của thủy tinh. Chiết suất cao đồng nghĩa ánh sáng đi vào kim cương sẽ bị khúc xạ mạnh, dễ xảy ra phản xạ toàn phần nhiều lần bên trong viên đá trước khi thoát ra ngoài. Nhờ đó, kim cương cắt mài tốt sẽ có độ lấp lánh cao vì ánh sáng bị phản xạ nhiều lần bên trong. Bên cạnh đó, kim cương còn có độ tán sắc lớn (khoảng 0,044) – khả năng phân tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu khác nhau. Khi ánh sáng chiếu qua, kim cương biến tia sáng trắng thành những tia sáng màu sắc như cầu vồng, tạo ra hiệu ứng “ánh lửa” rực rỡ rất đặc trưng mà không loại đá quý nào sánh được. Ánh sáng phản xạ từ kim cương thường được mô tả có vẻ hóa học lấp lánh như ánh kim loại, trong thuật ngữ khoáng vật học gọi là độ ánh adamantine (ánh kim cương).

Giải đáp: Độ phát quang của kim cương là gì?

Tính dẫn điện

Về điện tính, đa số kim cương không dẫn điện, chúng là chất cách điện rất tốt. Lý do là kim cương có cấu trúc cộng hóa trị hoàn toàn, không có electron tự do để dẫn điện. Chỉ có một ngoại lệ hiếm hoi: kim cương tự nhiên màu xanh lam có lẫn tạp chất boron đủ nhiều thì có thể dẫn điện như một chất bán dẫn loại p (do boron thay thế carbon tạo ra lỗ trống electron trong mạng). Những viên kim cương xanh chứa boron (ví dụ kim cương xanh từ mỏ Argyle, Úc) có khả năng dẫn điện nhẹ. Còn lại, các loại kim cương khác kể cả kim cương màu như vàng, hồng… (lẫn tạp chất nitơ hoặc tạp chất khác) đều không dẫn điện đáng kể và có thể coi là cách điện hoàn toàn.

Tính dẫn nhiệt

Trái ngược với tính điện, kim cương lại là chất dẫn nhiệt vô cùng hiệu quả. Nhờ cấu trúc mạng nguyên tử bền vững, dao động nhiệt được truyền đi rất nhanh qua kim cương. Độ dẫn nhiệt của kim cương tinh khiết có thể đạt khoảng 2000–2500 W/m·K, cao gấp 4–5 lần so với kim loại đồng ở nhiệt độ phòng. Thực tế, kim cương là vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất được biết đến ở điều kiện nhiệt độ thường – tốt hơn mọi kim loại hay chất rắn nào khác. Do đặc tính này, kim cương (đặc biệt là kim cương nhân tạo không màu, không có tạp chất cản trở) được ứng dụng làm đế tản nhiệt cho các linh kiện bán dẫn hiệu suất cao, giúp nhanh chóng truyền nhiệt ra môi trường và giữ cho vi mạch không bị quá nóng.

Trên đây là tất cả các thông tin về công thức hóa học của kim cương mà Cao Hùng Diamond muốn gửi đến bạn. Nếu có thắc mắc gì liên quan đến đá quý hay các loại kim cương khác cần giải đáp thì hãy liên hệ ngay với Cao Hùng Diamond nhé!

Xem thêm: Quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên và trong phòng thí nghiệm