Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng?

Kim cương và than chì cùng cấu tạo từ nguyên tố cacbon nhưng chúng lại ở hai thái cực khác nhau về độ cứng, kim cương cứng nhất trong tự nhiên còn than chì có thể bị bẻ gãy dù chỉ bằng bàn tay trẻ nhỏ.

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? Cùng VnReview tìm hiểu điều này qua bài viết từ trang khoa học ScienceABC.

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.

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 1

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.

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 2

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.

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 3

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.

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 4

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.

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 5

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).

Tại sao than chì mềm nhưng kim cương lại cứng? - ảnh 6

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

Trải nghiệm xe bus 2 chiều miễn phí đến Yoko Onsen Quang Hanh

Trải nghiệm nghỉ dưỡng tắm khoáng nóng tại Yoko Onsen Quang Hanh đang được nhiều du khách ví von là điểm đến “chữa lành” thời thượng khi tới Hạ Long.

Lễ hội Rồng hứa hẹn khuấy đảo Hạ Long dịp lễ 30/4

Từ ngày 27/4 - 1/5, du khách đến với Sun World Ha Long sẽ được thưởng thức những màn tranh tài Lân Sư Rồng mãn nhãn, trải nghiệm show khủng long kỳ thú hay check-in Vườn Rồng trong Lễ hội Rồng.

Trồng 4 cây này giữa nhà, người đàn ông ở TP.HCM có 'máy điều hòa' suốt 30 năm

Trồng 4 cây dừa xiêm giữa căn nhà tuềnh toàng, người đàn ông ở TP.HCM có nơi tránh nóng, chống bão suốt 30 năm qua.

Ngôi nhà sàn được làm từ 500 khối gỗ lim, mất hơn 2 năm mới hoàn tất

Nhà sàn gỗ lim lớn nhất Việt Nam từ lâu đã trở thành một điểm đến hấp dẫn khi du khách đến với TP. Điện Biên Phủ, tỉnh Điện Biên.

Ngôi làng ở Hưng Yên, người dân phất lên nhờ đi khắp cả nước mua thứ đồ 'bỏ đi'

Hơn 30 năm qua, kinh tế của người dân ở làng Khoai (huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên) phát triển mạnh mẽ, nhiều người thành tỷ phú nhờ đi khắp cả nước mua thứ người khác bỏ đi như nhựa, nilon.

Có con trâu hiếm, lão nông miền Tây thu hút hơn 200 người đến xem mỗi ngày

"Lúc đến mua, chỉ cần nhìn qua là tôi ưng ngay, bộ lông mượt, ánh mắt linh hoạt và khoang khoáy (xoáy trên mình trâu) rất đẹp", ông Càng kể về con trâu hiếm của mình.

Cụ ông 80 tuổi qua đời, con cháu phát hiện 'kho tiền' được chôn dưới lòng đất

Sau khi qua đời, gia đình ông tình cờ phát hiện ra số tiền lớn nhưng khi đào lên thì tiền bị mốc, hỏng hơn một nửa.

Ngôi làng tỷ phú ở Vĩnh Phúc, người dân 'hái ra tiền' xây lâu đài nhờ một nghề

Tại xã Vân Xuân, huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc có một ngôi làng nhỏ nhưng biệt thự mọc lên như nấm. Người dân quanh đây gọi nơi này là làng tỷ phú.

Chuyện khó tin trong căn biệt thự bỏ hoang ở Vĩnh Phúc

Được xây dựng cách đây gần 20 năm, căn biệt thự trên thị trấn Tam Đảo, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc vẫn đang bị bỏ hoang.

Kỳ lạ phiến đá 'nở hoa' ở Quảng Nam, người dân hiếu kỳ lo hiện tượng thời tiết

Thời gian gần đây, người dân xứ Tiên Phước (tỉnh Quảng Nam) xôn xao chuyện một tảng đá "nở hoa" trên dòng sông Trạm.

Đang cập nhật dữ liệu !