鑽石和鉛筆芯明明都是碳，硬度為什麼差這麼多？
― 地下150公里的壓力，把原子重新排列了
鉛筆芯只要在紙上摩擦，就會一點點磨黑掉屑。鑽石卻是硬到連任何天然石材都無法刮傷它的寶石。可是這兩者，都只由同一種原子——碳——組成。差別在於原子之間的連接方式。而決定這種連接方式的，正是人類永遠無法親自到達的地下深處那股驚人的壓力。
在筆記本上寫字時，手側邊沾得一片烏黑。原來是鉛筆芯一點一點沾到了紙上和手上。
同一天，在珠寶店的展示汃裡，戒指上的鑽石閃閃發光。這顆鑽石就算戴上幾十年，幾乎也不會磨損。
一碰就髒的黑色筆芯，和號稱永恆閃耀的透明寶石。如果告訴你這兩者是同一種材料，恐怕很難馬上相信吧。
造成差異的原因，只有兩個
鉛筆芯（石墨）中的碳原子連成一片一片平坦的板狀結構，這些板只是層層堆疊在一起。鑽石則是每個原子都向四個方向伸出手，緊密地組成立體的網狀結構。
同樣重量的碳，鑽石的體積會比石墨小將近四成。這種毫無空隙、緊密堆疊的結構，只有在地下深處承受極強壓力時才能保持穩定。
第一點回答了「為什麼硬度不同」，第二點回答了「為什麼鑽石稀有」。讓我們依序來看。
只是層層堆疊的筆芯，與向四方伸手的寶石
請看圖1的左側。在石墨中，一個碳原子和位於同一平面上的三個原子牢牢結合。這些原子排列成蜂巢狀的六角形板狀結構。板內部的結合非常牢固，但板與板之間，只靠微弱的力量鬆散地疊在一起。
因此，只要在紙上摩擦，板就會滑動剝落，剝落的板便黏在紙上，這就是鉛筆筆跡的真相。石墨感覺起來很軟，並不是因為原子之間的結合力弱，而是因為存在容易剝離的方向。
圖1的右側是鑽石。這裡，一個原子與四個原子相連。這四條「手」朝上下左右各個方向伸展，網狀結構在立體空間中連續不斷。無論從哪裡施壓、想從哪裡剝離，都必定會切斷牢固的結合。這就是鑽石成為天然物質中最硬材料的原因。
緊密的結構，只在地下深處才會誕生
比較圖1下方的數字可知，同樣大小下，鑽石大約比石墨重1.6倍。也就是說，原子排列得更加緊密。當受到強大壓力時，物質會傾向轉變為體積較小的形態。因此在擠壓般的壓力下，鑽石的結構才是碳「趨於穩定的形態」。
不過，那股壓力是非同尋常的。多數天然鑽石被認為誕生於大陸地殼之下，深度大約超過150公里的地方（圖2）。溫度超過1000℃，壓力則約為大氣壓的5萬倍。換算下來，指尖大小的1平方公分上，承受的重量大約相當於10頭大象。
在地表這種微弱的壓力下，碳趨於穩定的形態是石墨。所以石墨在地表的岩石中也很常見。相對地，要取得鑽石，就必須有某種力量把在地下深處形成的結晶運送到地表才行。
來到地表的鑽石，為什麼不會變回石墨？
這裡會產生一個疑問。既然在地表石墨才是穩定的形態，鑽石遲早會變回石墨嗎？
答案是「雖然有變回去的傾向，但實際上變不回去」。要重組立體網狀結構，必須先切斷大量牢固的結合。在常溫下，完全沒有足夠的能量來觸發這個過程。因此，這個轉變的速度被認為慢到即使放眼地球的歷史長度都難以察覺，更別說人的一生。
如果緩慢上升，途中經過高溫區域時就有可能變成石墨。天然鑽石之所以能夠保存下來，被認為是因為含有大量氣體的特殊岩漿，像圖2箭頭所示那樣，在數小時到數天內一口氣將它噴送到接近地表的地方。這條通道冷卻凝固後形成的岩石，就是全球礦場中開採的「金伯利岩」。
鑽石是碳的聚合體，據信在空氣中加熱到遠超過700℃時，會像木炭一樣燃燒變成二氧化碳。18世紀末，英國化學家泰南特（Tennant）研究了燃燒鑽石所產生的氣體量，證明其成分和木炭一樣都是碳。鑽石雖然硬度無敵，卻不耐高溫和氧氣。
透過分析封閉在鑽石內部的微小矽物年代，據信多數天然鑽石誕生於10億到30億年前，甚至更久以前。把它們帶到地表的噴發事件則新得多，這意味著鑽石在誕生後，曾在地下深處沉睡了漫長的歲月。
總結
鉛筆芯和鑽石都只由碳組成。石墨是平坦的板層層堆疊而成，所以容易剝離；鑽石是向四方伸手的立體網狀結構，所以非常堅硬。而鑽石那種緊密堆疊的結構，只有在大氣壓約5萬倍的極端壓力下才能誕生。
即使材料相同，只要排列方式改變，就會變成另一種物質。
鑽石，是地球深處在碳上刻下的「壓力紀錄」。
壓力改變物質形態與性質的例子還有很多。關於在極大水壓下生物為何不會被壓垮，可參考深海的生物，為什麼不會被那種水壓壓垮？；關於地球中心的鐵在高溫下為何仍是固態，可參考地球中心明明和太陽表面差不多熱，為什麼沒有融化？。至於原子排列方式如何決定「浮起・沉下」，也歡迎參考為什麼冰會浮在水面上？。
- 用最深的鉛筆（例如6B），在紙上用力塗滿約5公分見方的範圍，不留空隙。
- 把塗黑的那一面斜對著燈光看。雖然應該是黑色的，卻會看起來像金屬一樣呈銀色光澤。這是因為平坦的板狀結構朝同一方向整齊排列，像鏡子一樣反射了光線。
- 在塗黑的表面貼上透明膠帶，用手指摩擦後慢慢撕下。膠帶上會沾到一層淡灰色的薄膜，紙那一面也會稍微變薄。這是因為容易剝離的那一層，黏著轉移到了膠帶上。
也可以用4B、2B、HB鉛筆比較看看。筆芯越深，其中含的石墨比例越高，反光和轉移的效果也會越明顯。因為手會弄黑，做完後請用肥皂洗手。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理化到大學的專業科目，明確標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「化學」「地球科學」課程範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（化學熱力學・岩石學）的內容
- 研究即使在大學也不算「定論」，是研究者目前正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 同素異形體：由同一種原子組成，卻因原子連接方式不同而具有不同性質的物質。石墨與鑽石是碳的同素異形體。氧氣與臭氧也是同素異形體的例子。
- 共價鍵結晶：原子之間互相提供電子而結合，這種結合在整個結晶中連續不斷地擴展開來。鑽石是代表性的例子，具有堅硬、不易熔化的性質。
- 金伯利岩：從地下深處急速上升的岩漿冷卻凝固後形成的岩石。作為把鑽石運送上來的「電梯」而聞名。
國中高中用公式驗證：深度150公里的壓力有多大？
上方堆積岩石的重量，會形成壓在下方岩石上的壓力。壓力可以用「岩石密度 × 重力加速度 × 深度」來估算。地下岩石的密度會隨深度改變，這裡使用平均值作為估算基準。
| 符號 | 意義與單位 |
| P | 壓力（帕斯卡，每平方公尺所受的力） |
| ρ | 岩石密度（公斤每立方公尺） |
| g | 重力加速度（公尺每秒平方） |
| h | 深度（公尺） |
| 公式形式 | P ＝ ρ × g × h |
| 地下岩石的平均密度（估算值） | 約3300 kg/m³ |
| 重力加速度 | 9.8 m/s² |
| 深度 | 150公里（150000 m） |
| 大氣壓 | 約101300 Pa |
| 非洲象一頭的體重（估算值） | 約5000 kg |
| 密度乘上重力加速度 | 3300 × 9.8 ＝ 32340 |
| 再乘上深度得出壓力（Pa） | 32340 × 150000 ＝ 4851000000 |
| 是大氣壓的幾倍 | 4851000000 ÷ 101300 ≒ 47887 |
| 每平方公分所受的力（N） | 4851000000 ÷ 10000 ＝ 485100 |
| 換算成重量（kg） | 485100 ÷ 9.8 ＝ 49500 |
| 相當於幾頭大象 | 49500 ÷ 5000 ≒ 9.9 |
深度150公里的壓力，大約是大氣壓的5萬倍。相當於在指尖大小的面積上，壓著約10頭大象的重量。
| 石墨的密度（估算值） | 約2.2 g/cm³ |
| 鑽石的密度 | 約3.5 g/cm³ |
| 同重量下的體積比 | 2.2 ÷ 3.5 ≒ 0.63 |
| 縮小的比例 | 1 − 0.63 ＝ 0.37 |
同樣重量的碳，變成鑽石後體積會縮小約四成。強大的壓力，正是促成這種「能夠變小的結構」的推手。
高中高中＋為什麼壓力會使「穩定的形態」互換
高中化學課程中學到，當條件改變時，系統會朝著緩和該變化的方向移動（勒沙特列原理）。當壓力上升時，系統會朝體積較小的鑽石一側移動，藉此緩和壓力的影響。
高中＋石墨中的碳，在平面上朝三個方向結合，剩下的電子可以在整片板狀結構中自由移動。因此石墨能導電，並帶有金屬般的光澤。鑽石中的碳則把所有四個電子都用在結合上，因此幾乎不導電，並呈現透明。
大學相圖與「介穩態」
依溫度和壓力標示哪一種形態能量較低的圖，稱為相圖。在碳的相圖中，即使在常溫下，只要超過約一萬多個大氣壓，鑽石就會變得更穩定，而且溫度越高，這個分界壓力也越高。地表的鑽石，能量雖然較高，卻因為轉變所需跨越的能量門檻（活化能）太高而無法轉變，處於「介穩態」。據信在無氧環境下加熱到約1500℃時，會開始轉變為石墨。人工鑽石就是在1950年代，依據這張相圖，利用高溫高壓裝置首次製造出來的。
研究目前尚未完全清楚的事
- 碳如何在地下深處結晶 一般認為，溶解在地下流體中的碳，會透過氧化還原反應結晶，但這種流體的真實成分以及反應發生的位置，仍在研究之中。
- 來自更深處的鑽石 已經發現據信誕生於深度300～700公里左右的「超深部鑽石」。從其中封閉的矽物，得到了地球深部含有水分的線索，因而備受關注。
- 岩漿為何能上升得那麼快 一般認為二氧化碳等氣體形成氣泡加速了上升，但實際速度的估算值仍有相當大的差異。
也就是說，本文的內容也是「目前已知範圍內」的說明。鑽石，也是人類無法親自挖掘觸及的地球深處，難得送到地表的一封「實物來信」。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「物質的樣態」「壓力」「地表的形成」 | 密度差異・岩石重量造成的壓力・岩漿 |
| 高中 | 化學「化學鍵・結晶」，地球科學「地球的內部」 | 同素異形體、共價鍵結晶、地下的溫度與壓力 |
| 高中＋ | 化學進階「勒沙特列原理」「石墨的導電性」 | 壓力改變穩定形態、石墨的光澤 |
| 大學 | 化學熱力學・岩石學 | 碳的相圖、介穩態、金伯利岩 |
| 研究 | 地球化學・高壓礦物學 | 結晶形成的反應、超深部鑽石、岩漿上升速度 |
| ― | 與生活的連結 | 用鉛筆寫字時、看到珠寶或工具刀刃上的鑽石時 |
- Shirey, S. B. 等 (2013) "Diamonds and the Geology of Mantle Carbon", Reviews in Mineralogy and Geochemistry 75
- Pearson, D. G. 等 (2014) "Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond", Nature 507
- Bundy, F. P. 等 (1955) "Man-made Diamonds", Nature 176
- 國立天文台 編『理科年表』（日本官方天文機構編纂的理科數據年鑑）丸善出版
※本文為大眾科學解說。文中數值為幫助理解原理所使用的參考估算值。地下的溫度、壓力，以及鑽石的年代，依研究結果會有所差異。