Le diamant et la mine de crayon sont tous deux du carbone. Pourquoi une telle différence de dureté ?
― La pression à 150 km de profondeur a réarrangé les atomes
La mine d'un crayon s'use et noircit dès qu'on la frotte sur du papier. Le diamant, lui, est une pierre précieuse si dure qu'aucune autre pierre naturelle ne peut le rayer. Et pourtant, ces deux matériaux sont tous deux faits du même atome, le carbone. Ce qui diffère, c'est la façon dont les atomes se lient entre eux. Et c'est une pression phénoménale, tout au fond de la Terre, là où l'humain ne mettra jamais les pieds, qui a décidé de cette liaison.
En écrivant dans un cahier, vous remarquez que le côté de votre main est devenu tout noir. La mine du crayon s'était peu à peu transférée sur le papier et sur votre peau.
Ce même jour, dans la vitrine d'un bijoutier, un diamant serti sur une bague scintille. Celui-ci, même porté pendant des décennies, ne s'usera quasiment pas.
Une mine noire qui salit les mains en un instant, et une pierre transparente qu'on dit éternelle. Difficile de croire, à première vue, qu'il s'agit du même matériau.
Deux raisons seulement expliquent cette différence
Dans la mine de crayon (le graphite), les atomes de carbone forment des feuillets plats qui s'empilent simplement les uns sur les autres. Dans le diamant, chaque atome tend ses liaisons dans les quatre directions, formant un réseau tridimensionnel solidement assemblé.
À poids égal de carbone, le diamant occupe un volume près de 40 % plus petit. Cette forme sans le moindre espace vide ne reste stable que sous une pression extrême, en profondeur sous terre.
Le premier point répond à « pourquoi la dureté diffère », le second à « pourquoi le diamant est rare ». Voyons cela en détail.
Une mine faite de feuillets empilés, un joyau aux liaisons tendues dans toutes les directions
Regardez la partie gauche de la figure 1. Dans le graphite, un atome de carbone est fortement lié à trois autres atomes situés dans le même plan. Cela forme un feuillet au motif hexagonal, comme un nid d'abeilles. Les liaisons à l'intérieur d'un feuillet sont très solides, mais entre les feuillets, il n'y a qu'un empilement lâche, tenu par une force faible.
C'est pourquoi, en frottant sur du papier, les feuillets glissent et se détachent, collant au papier. Voilà l'origine du trait de crayon. Si le graphite semble mou, ce n'est pas parce que les liaisons entre atomes sont faibles. C'est parce qu'il existe une direction où les feuillets se détachent facilement.
La partie droite de la figure 1 montre le diamant. Ici, chaque atome est lié à quatre autres. Ces quatre liaisons s'étendent dans toutes les directions, haut, bas, gauche, droite, et le réseau se poursuit sans interruption en trois dimensions. Quel que soit l'endroit d'où l'on pousse, quel que soit l'endroit où l'on tente d'arracher un morceau, il faut forcément rompre une liaison solide. Voilà pourquoi c'est la substance naturelle la plus dure qui soit.
Une forme compacte ne naît qu'en profondeur sous terre
En comparant les chiffres en bas de la figure 1, à taille égale, le diamant pèse environ 1,6 fois plus que le graphite. Autrement dit, ses atomes sont plus densément comprimés. Sous une forte pression, la matière tend à évoluer vers la forme de plus petit volume. C'est pourquoi, sous une pression écrasante, la forme « stable » du carbone devient celle du diamant.
Mais cette pression est hors normes. On pense que la plupart des diamants naturels se sont formés sous les continents, à une profondeur d'environ 150 km ou plus (figure 2). La température y dépasse 1000 °C, et la pression serait environ 50 000 fois celle de l'atmosphère. Cela revient à faire peser, sur un centimètre carré, à peu près le poids de 10 éléphants.
Sous une pression faible, comme en surface, c'est le graphite qui est la forme stable pour le carbone. C'est pourquoi on trouve couramment du graphite dans les roches de surface. En revanche, pour obtenir du diamant, il faut que des cristaux formés en profondeur soient remontés jusqu'à la surface par quelqu'un — ou plutôt, par quelque chose.
Pourquoi le diamant, une fois en surface, ne redevient-il pas du graphite ?
Une question se pose alors. Si le graphite est la forme stable en surface, le diamant ne devrait-il pas finir par y redevenir du graphite ?
La réponse est : « il en a envie, mais il ne le peut pas ». Pour réorganiser un réseau tridimensionnel, il faut d'abord rompre un grand nombre de liaisons solides. À température ambiante, l'énergie nécessaire pour déclencher ce changement fait totalement défaut. La vitesse de ce changement serait donc si lente qu'on ne pourrait la percevoir ni sur une vie humaine, ni même sur toute l'histoire de la Terre.
Si la remontée est lente, il existe un risque que le diamant se transforme en graphite en traversant des zones chaudes. On pense que les diamants naturels ont survécu parce qu'un magma spécial, riche en gaz, les a propulsés vers la surface en quelques heures à quelques jours seulement, comme le montre la flèche de la figure 2. La roche formée par le refroidissement de ce conduit est la « kimberlite », que l'on extrait dans les mines du monde entier.
Le diamant étant une masse de carbone, chauffé dans l'air à bien plus de 700 °C, il brûlerait, comme du charbon, pour former du dioxyde de carbone. À la fin du XVIIIe siècle, le chimiste anglais Tennant a mesuré la quantité de gaz produite en brûlant du diamant, prouvant que sa composition était bien la même que celle du charbon : du carbone. Invincible face à la dureté, mais vulnérable à la chaleur et à l'oxygène.
En étudiant l'âge de minuscules minéraux emprisonnés à l'intérieur, on estime que la plupart des diamants naturels se sont formés il y a entre 1 et plus de 3 milliards d'années. L'éruption qui les a portés en surface est bien plus récente : ils ont donc sommeillé très longtemps, en profondeur, avant de remonter.
En résumé
La mine de crayon et le diamant sont tous deux faits uniquement de carbone. Le graphite n'est qu'un empilement de feuillets plats, donc il se détache facilement ; le diamant est un réseau tridimensionnel aux liaisons tendues dans toutes les directions, donc il est extrêmement dur. Et cette forme compacte du diamant ne naît que sous une pression extrême, environ 50 000 fois celle de l'atmosphère.
Même matériau, mais un arrangement différent : une autre substance.
Le diamant, c'est la profondeur de la Terre gravée dans le carbone comme un « relevé de pression ».
La pression change aussi la forme et les propriétés d'autres choses. Pourquoi les créatures des abysses ne sont-elles pas écrasées par une pression d'eau aussi extrême ? C'est le sujet de Pourquoi les créatures des abysses ne sont-elles pas écrasées par cette pression ?. Pourquoi le fer au centre de la Terre reste-t-il solide malgré une température aussi élevée ? Réponse dans Le centre de la Terre est aussi chaud que la surface du Soleil : pourquoi n'est-il pas fondu ?. Et pour découvrir comment l'arrangement des atomes détermine si quelque chose flotte ou coule, lisez aussi Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ?.
- Avec le crayon le plus tendre que vous ayez (un 6B par exemple), noircissez fermement, sans laisser d'espace, une zone d'environ 5 cm sur 5 cm.
- Tenez la surface noircie en biais sous une lampe. Bien que noire, elle devrait briller comme un métal, d'un éclat argenté. C'est parce que les feuillets plats, couchés tous dans le même sens, réfléchissent la lumière comme un miroir.
- Collez un morceau de ruban adhésif sur la zone noircie, frottez-le du doigt, puis décollez-le lentement. Un fin film gris se transfère sur le ruban, et le papier devient lui aussi un peu plus clair. Ce sont les feuillets qui se détachent facilement qui ont migré, collés au ruban.
Essayez aussi de comparer avec un 4B, un 2B ou un HB. Plus le crayon est tendre, plus la proportion de graphite dans la mine est élevée, et plus l'éclat et le transfert seront marqués. Cela salit les mains, alors lavez-les au savon une fois terminé.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie » et de « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : contenu de matières universitaires spécialisées (thermodynamique chimique, pétrologie)
- RecherchePas encore établi comme « fait acquis » même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Variétés allotropiques : des substances faites du même type d'atome, mais dont les propriétés diffèrent à cause d'un mode de liaison différent entre les atomes. Le graphite et le diamant sont des variétés allotropiques du carbone. L'oxygène et l'ozone en sont un autre exemple.
- Cristal covalent : des atomes liés par mise en commun d'électrons, cette liaison s'étendant sans interruption à travers tout le cristal. Le diamant en est l'exemple type : il est dur et résiste à la fusion.
- Kimberlite : roche formée par le refroidissement d'un magma remonté rapidement depuis les profondeurs. Connue comme « l'ascenseur » qui transporte le diamant vers la surface.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle est la pression à 150 km de profondeur ?
Le poids des roches empilées au-dessus exerce une pression sur les roches en dessous. On peut estimer cette pression par « densité de la roche × intensité de la pesanteur × profondeur ». La densité des roches varie avec la profondeur, mais on utilisera ici une valeur moyenne indicative.
| Symbole | Signification et unité |
| P | Pression (pascal ; force par mètre carré) |
| ρ | Densité de la roche (kilogramme par mètre cube) |
| g | Accélération de la pesanteur (mètre par seconde carrée) |
| h | Profondeur (mètre) |
| Forme de la formule | P ＝ ρ × g × h |
| Densité moyenne indicative de la roche | environ 3300 kg/m³ |
| Accélération de la pesanteur | 9,8 m/s² |
| Profondeur | 150 km (150000 m) |
| Pression atmosphérique | environ 101300 Pa |
| Poids indicatif d'un éléphant d'Afrique | environ 5000 kg |
| Densité × pesanteur | 3300 × 9,8 ＝ 32340 |
| × profondeur = pression (Pa) | 32340 × 150000 ＝ 4851000000 |
| Combien de fois la pression atmosphérique | 4851000000 ÷ 101300 ≒ 47887 |
| Force sur 1 cm² (N) | 4851000000 ÷ 10000 ＝ 485100 |
| Converti en poids (kg) | 485100 ÷ 9,8 ＝ 49500 |
| Combien d'éléphants | 49500 ÷ 5000 ≒ 9,9 |
La pression à 150 km de profondeur est environ 50 000 fois celle de l'atmosphère. Cela revient à faire peser, sur une surface grande comme un bout de doigt, environ 10 éléphants.
| Densité indicative du graphite | environ 2,2 g/cm³ |
| Densité du diamant | environ 3,5 g/cm³ |
| Rapport de volume à poids égal | 2,2 ÷ 3,5 ≒ 0,63 |
| Taux de réduction | 1 − 0,63 ＝ 0,37 |
Pour un même poids de carbone, le volume diminue d'environ 40 % en devenant diamant. Une forte pression favorise cette « forme qui peut rapetisser ».
LycéeLycée+Pourquoi la pression inverse-t-elle la forme « stable » ?
LycéeEn chimie, on apprend qu'un changement de condition fait évoluer un système dans le sens qui atténue ce changement (principe de Le Chatelier). En augmentant la pression, le système évolue vers le diamant, dont le volume est plus petit, pour atténuer l'effet de la pression.
Lycée+Dans le graphite, le carbone se lie dans trois directions du plan, et les électrons restants peuvent circuler librement dans tout le feuillet. C'est pourquoi le graphite conduit l'électricité et possède un éclat métallique. Dans le diamant, le carbone utilise ses quatre électrons pour former des liaisons, ce qui le rend quasiment isolant et transparent.
UniversitéDiagramme de phase et état « métastable »
Un diagramme montrant, pour chaque température et pression, quelle forme a l'énergie la plus basse s'appelle un diagramme de phase. Dans celui du carbone, même à température ambiante, au-delà d'environ dix mille et quelques atmosphères, c'est le diamant qui devient la forme stable, et plus la température est élevée, plus la pression limite l'est aussi. Le diamant en surface, bien que son énergie soit plus élevée, se trouve dans un état « métastable » : il ne peut pas changer, car la barrière énergétique (énergie d'activation) est trop haute. Chauffé à environ 1500 °C en l'absence d'oxygène, il commencerait à se transformer en graphite. Le diamant artificiel a été fabriqué pour la première fois dans les années 1950, grâce à des appareils à haute température et haute pression, en s'appuyant sur ce diagramme de phase.
RechercheCe qui n'est pas encore clairement élucidé
- Comment le carbone cristallise-t-il en profondeur On pense que le carbone dissous dans les fluides souterrains cristallise par des réactions d'oxydoréduction, mais la nature de ces fluides et le lieu exact des réactions restent activement étudiés.
- Des diamants venus de plus profond encore On a découvert des « diamants ultra-profonds », formés semble-t-il à des profondeurs de 300 à 700 km environ. Les minéraux emprisonnés à l'intérieur fournissent des indices sur la présence d'eau dans les profondeurs de la Terre, ce qui suscite beaucoup d'intérêt.
- Pourquoi le magma peut-il remonter aussi vite On pense que des gaz comme le dioxyde de carbone, en formant des bulles, accélèrent la remontée, mais les estimations de la vitesse réelle varient considérablement.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Le diamant est aussi l'une des rares « lettres tangibles » qui nous parviennent des profondeurs de la Terre, là où l'humain ne peut creuser.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière・unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « états de la matière », « pression », « formation du sol » | Différence de densité, pression due au poids des roches, magma |
| Lycée | Chimie « liaisons chimiques, cristaux », sciences de la Terre « intérieur de la Terre » | Variétés allotropiques, cristal covalent, température et pression en profondeur |
| Lycée+ | Chimie avancée « principe de Le Chatelier », « conductivité électrique du graphite » | Changement de forme stable selon la pression, éclat du graphite |
| Université | Thermodynamique chimique, pétrologie | Diagramme de phase du carbone, état métastable, kimberlite |
| Recherche | Géochimie, minéralogie haute pression | Réactions de cristallisation, diamants ultra-profonds, vitesse de remontée du magma |
| ― | Lien avec le quotidien | En écrivant au crayon, en regardant un bijou ou la pointe d'un outil en diamant |
- Shirey, S. B. et al. (2013) "Diamonds and the Geology of Mantle Carbon", Reviews in Mineralogy and Geochemistry 75
- Pearson, D. G. et al. (2014) "Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond", Nature 507
- Bundy, F. P. et al. (1955) "Man-made Diamonds", Nature 176
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō [Annuaire des sciences] (国立天文台編『理科年表』), Maruzen Publishing
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les chiffres indiqués sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La température et la pression en profondeur, ainsi que l'âge des diamants, varient selon les études.