Diamanten op de hei

 

Diamant op de hei?

Dit jaar is het honderd jaar geleden dat mijn grootvader diamant probeerde te maken. Op de hei in Bussum.

Hij had gelezen dat in de aardkorst diamant gemaakt wordt uit grafiet op plekken waar de temperatuur en druk erg hoog zijn. ‘Dat kan ik ook’, dacht hij.

               Dat soort denken, daar was hij goed in. Hij had een juweel van een huis ontworpen en laten maken. Hij beweerde  dat hij de enige was die precies wist wat het wezen van licht was. Hij heeft het mij proberen uit te leggen toen ik een jaar of twaalf was maar ik begreep er toen niet veel van en daarna is er geen gelegenheid meer voor geweest. Helaas.

Maar nu gaat het over zijn diamantavontuur.

Diamant en grafiet zijn twee veel  voorkomende vormen waarin  koolstof voortkomt. De structuur van diamant kan je zien in het volgende plaatje.

   

Structuur diamant

Ieder koolstofatoom is stevig gebonden aan vier andere koolstofatomen en zo ontstaat er een groot driedimensionaal heel regelmatig netwerk van koolstofatomen. De eigenschappen van diamant volgen uit deze structuur. Diamant is keihard, absorbeert geen zichtbaar licht (het heeft dus geen kleur en je kan er doorheen kijken), het geleidt geen elektriciteit. Diamant is een hele goede warmte geleider. Beter dan metaal. Voor zover ik weet is het de beste warmtegeleider die er bestaat en dat heeft weer met die hele regelmatige structuur te maken.

De structuur van grafiet kan je zien in het volgende plaatje.

Structuur grafietplaat

Ieder koolstofatoom is stevig gebonden aan drie andere koolstofatomen, allemaal in een plat vlak en zo onstaan er grote vlakke platen van aan elkaar gekoppelde benzeenringen. Een benzeenring is een ring van zes koolstofatomen die allemaal met een soort van dubbele binding aan elkaar gekoppeld zijn.  Er is ook binding tussen de platen. Maar die is zwak: als je met een potlood (dat is grafiet) op papier schrijft, schuif je steeds laagje voor laagje eraf.  Je kan om dezelfde reden grafiet ook goed als smeermiddel gebruiken.

               Andere eigenschappen van grafiet volgen ook uit deze structuur: het is zacht, geleidt elektrische stroom goed en het is zwart. Over die ‘kleur’, die zo extreem anders is dan in diamant, schrijf ik ook iets in mijn blog over indigo, de kleurstof van spijkerbroeken. Het heeft o.a. te maken met al dan niet aanwezig  zijn van dubbele bindingen tussen de koolstofatomen. In diamant is er geen enkele en in grafiet is er één groot netwerk van.

                                                  

Het is niet eenvoudig om diamant uit grafiet te maken.

               Andersom is het wel eenvoudig. Je verhit diamanten met een hete vlam en het wordt grafiet. Op YouTube staat er een filmpje van (https://www.youtube.com/watch?v=7L7BV3IBfFA).

               Eigenlijk is het zo dat grafiet stabieler is dan diamant. Dat wil zeggen dat onder normale omstandigheden de koolstofatomen liever in een grafiet structuur zitten dan in een diamantstructuur. Alleen bij hele hoge drukken zitten ze liever in de diamantstructuur. Gelukkig is het zo dat diamant alleen bij hoge temperatuur overgaat in grafiet. Er is wat je noemt een hoge energiebarrière. Of, in chemische termen, een hoge activeringsenergie. Om die reden wordt diamant meta-stabiel genoemd. 'Het is toepasselijker als je je geliefde een ring met een stukje grafiet geeft als symbool voor een eeuwig durende stabiele relatie.'

              

Waarom is grafiet onder normale omstandigheden stabieler dan diamant?

Daar kan je twee factoren voor aanwijzen.

1.      Grafiet heeft een lagere energie-inhoud dan diamant. Als je grafiet uit diamant maakt, dan komt daar netto energie bij vrij. Als er energie kan vrijkomen dan is er een tendens om dat daadwerkelijk te laten gebeuren. Vergelijk het met een bal op een helling. Als je hem loslaat dan rolt hij naar beneden. Spontaan.

2.      Grafiet heeft een hogere entropie dan diamant. Entropie is een maat voor de “vrijheid” van de deeltjes in de stof. Zo is de entropie van water groter dan van ijs. De entropie van waterdamp is groter dan van water. In diamant is alles gefixeerd, de atomen en de elektronen. In grafiet is dat veel minder het geval. Het geleidt de elektrische stroom (door dat netwerk van dubbele bindingen zijn veel elektronen  niet gebonden aan een vaste plaats), de lagen kunnen makkelijk over elkaar schuiven, de dichtheid is lager (de atomen nemen gemiddeld meer ruimte in).

 Processen vinden spontaan plaats als daarbij de entropie stijgt, als daarbij meer vrijheid ontstaat. Bv. als je water verwarmt dan zal het spontaan verdampen, hoewel dat eigenlijk niet hoeft.  Immers het water mag gewoon in de fluitketel blijven. Dat mocht het vóór het verwarmen ook.

               Zo is het ook bij diamant en grafiet. In de overgangstoestand tussen grafiet en diamant kiezen de koolstofatomen  voor grafiet en niet voor diamant. Een andere manier om dit te zeggen is dat er in die overgangstoestand meer paden zijn die naar grafiet leiden dan er paden zijn die naar diamant leiden. Als koolstof in die overgangstoestand willekeurig kiest, komt het merendeel bij grafiet uit. Dit betekent dat  als je de temperatuur hoog genoeg maakt om de energie-barrière tussen diamant en grafiet te overwinnen, dat diamant zal overgaan in grafiet en niet andersom!

De enige mogelijkheid om het andersom te laten gebeuren is door de druk te verhogen.  Zoals boven gezegd nemen de atomen in grafiet meer ruimte in dan in diamant.  Als je de temperatuur hoog genoeg maakt om grafiet en diamant in elkaar te laten overgaan en daarbij de druk enorm opvoert dan pers je als het ware het grafiet naar diamant. Je dwingt als het ware de overgangstoestand om voor diamant te kiezen. Als je het weer ‘loslaat’ (de druk verlaagt naar normaal), dan moet je ook de temperatuur verlagen anders gaat het gewoon weer terug naar grafiet.

Laten we nu eens kijken of mijn grootvader een kans van slagen had.

Ik weet niet wat voor explosief hij gebruikte. Een oom van mij meent zich uit de verhalen te herinneren dat het om drie stoffen ging. Dat duidt op buskruit dat bestaat immers uit salpeter, zwavel en koolstof (normaal gesproken houtskool, dat is een onzuivere vorm van koolstof dat noch diamant noch grafiet is en waar ook verbindingen van koolstof met bv. waterstof in voorkomen). Als je daar dan grafiet aan toevoegt dan zou je het mengsel kunnen hebben dat mijn grootvader gebruikt heeft.

Hij deed het in een stalen cilinder en liet het buskruit ontbranden. Hoe hij dat deed weet ik niet. Een kans van slagen zou zijn om de cilinder in een heel heet vuur te leggen. Je kan immers buskruit in een reageerbuis tot ontbranding brengen door het in een vlam te houden. Omdat mijn grootvader er rekening mee hield dat de cilinder zou kunnen ontploffen, wat uiteraard niet de bedoeling was omdat je dan de druk kwijt bent, deed hij het op de hei. 

Als je buskruit aansteekt  dan krijg je bv. de volgende reactie (het hangt af van de verhoudingen in het mengsel):

2KNO₃ + 2S + 2C  -->  K₂S + SO₂ + 2CO₂ + N₂

Voor de pijl staan alleen vaste stoffen. Na de pijl staan drie gassen. Het één en ander staat beschreven in mijn blog 'Rotjes zijn erg interessant!'
Je kan uitrekenen dat de druk zou oplopen tot een paar duizend keer de gewone luchtdruk en de temperatuur tot pakweg 700 ^oC.

Dit zou net genoeg geweest kunnen zijn, ware het niet dat de cilinder ontplofte. Dwz. hij heeft de druk maar korte tijd kunnen vasthouden. De reactietijd was daarom kort en aangezien bij 700 ^oC de reactiesnelheid relatief laag is, is het niet te verwachten dat er diamanten zijn ontstaan.  Die zijn inderdaad nooit gevonden daar op de hei.

Grootvaders methode heeft een halve eeuw later, in gewijzigde vorm, navolging gekregen. Er ontstaan inderdaad diamanten. Alleen minuscuul klein. Zogenaamde nanodiamanten. Die worden oa. gebruikt in polijstmiddelen.

               Het Russische bedrijf SKN heeft in 2012 de Ig Nobelprijs voor de vrede gekregen voor het gebruiken van oude munitie voor dit proces.

Wellicht dat er op de hei  in Bussum nanodiamantjes zijn te vinden. Neem een vergrootglas mee.

Voor cursussen, ccvx-tentamentraining en bijles scheikunde bezoek mijn website: www.chemieonderdeknie.nl