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.

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.

Thanh Tâm