Le diamant et la mine de crayon sont tous deux du carbone : pourquoi une telle différence de dureté ?
― Une pression à 150 km sous terre a réarrangé les atomes
La mine d'un crayon s'effrite en noir dès qu'on la frotte sur du papier. Le diamant, lui, est une pierre si dure qu'aucune autre pierre naturelle ne peut le rayer. Pourtant, ces deux matériaux sont entièrement composés du même atome : le carbone. Ce qui diffère, c'est la façon dont les atomes se lient entre eux. Et cette liaison a été décidée par une pression colossale, tout au fond de la Terre, un endroit où l'humain ne mettra jamais les pieds.
En écrivant dans un cahier, vous remarquez que le côté de votre main est devenu tout noir. La mine du crayon s'est peu à peu déposée sur le papier et sur votre peau.
Le même jour, dans la vitrine d'un bijoutier, un diamant serti sur une bague scintille. Celui-ci, on peut le porter des dizaines d'années sans qu'il s'use pratiquement.
D'un côté, une mine noire qui salit aussitôt les mains ; de l'autre, une pierre transparente à l'éclat dit éternel. Difficile de croire, à première vue, qu'il s'agit du même matériau.
Deux raisons seulement expliquent la différence
Dans la mine de crayon (le graphite), les atomes de carbone forment de plates feuilles, simplement empilées les unes sur les autres. Dans le diamant, chaque atome étend ses liaisons dans les quatre directions, formant un réseau tridimensionnel bien serré.
Pour un même poids 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 extrêmement forte, tout au fond de la Terre.
Le premier point répond à « pourquoi la dureté diffère-t-elle ? », le second à « pourquoi le diamant est-il rare ? ». Voyons cela dans l'ordre.
Des feuilles simplement empilées, contre une pierre aux liaisons tous azimuts
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 une feuille au motif hexagonal, comme un nid d'abeilles. Les liaisons à l'intérieur d'une feuille sont très solides, mais entre les feuilles, il n'existe qu'une liaison faible et lâche.
C'est pourquoi, en frottant sur le papier, les feuilles glissent et se détachent, collant au passage sur le papier. Voilà l'origine du trait de crayon. Si le graphite semble mou, ce n'est pas que les liaisons atomiques sont faibles : c'est qu'il existe une direction où les feuilles se détachent facilement.
À droite de la figure 1, on voit le diamant. Ici, chaque atome est lié à quatre autres. Ces quatre liaisons s'étendent dans toutes les directions, haut, bas, gauche, droite, formant un réseau tridimensionnel sans interruption. Que l'on presse d'où que ce soit, ou que l'on tente de détacher une partie, il faut forcément rompre une liaison solide. Voilà pourquoi c'est la substance naturelle la plus dure qui existe.
Une forme compacte qui ne naît que dans les profondeurs
En comparant les chiffres en bas de la figure 1, on voit que pour une même taille, le diamant pèse environ 1,6 fois plus lourd que le graphite. Autrement dit, ses atomes forment une structure bien plus compacte. Sous forte pression, la matière tend à basculer vers la forme au volume le plus réduit. C'est pourquoi, sous une pression écrasante, la forme « stable » du carbone devient celle du diamant.
Mais cette pression est hors norme. La plupart des diamants naturels se seraient formés sous les continents, à plus de 150 kilomètres de profondeur environ (figure 2). La température y dépasse 1000 °C, et la pression atteindrait environ 50 000 fois celle de l'atmosphère. Cela revient à faire peser environ 10 éléphants sur une surface grande comme un bout de doigt, soit un centimètre carré.
Sous une pression faible, comme en surface, c'est le graphite qui est stable pour le carbone. C'est pourquoi on trouve couramment du graphite dans les roches de surface. En revanche, pour obtenir un diamant, il faut qu'un cristal formé en profondeur soit remonté jusqu'à la surface par un phénomène naturel.
Pourquoi le diamant arrivé en surface ne redevient-il pas 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 graphite ?
La réponse est : « il voudrait bien, mais il ne le peut pas ». Réorganiser un réseau tridimensionnel exige de rompre d'un coup de nombreuses liaisons solides. À température ambiante, l'énergie nécessaire pour amorcer ce changement fait totalement défaut. La vitesse de cette transformation serait donc si lente qu'elle resterait imperceptible non seulement sur une vie humaine, mais même sur toute l'histoire de la Terre.
Si la remontée est lente, le diamant risque de se transformer 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 d'un coup, comme le montre la flèche de la figure 2, en quelques heures à quelques jours seulement, jusque près de la surface. La roche issue du refroidissement de ce conduit est la « kimberlite », que l'on extrait dans les mines du monde entier.
Le diamant étant un bloc de carbone, on pense qu'en le chauffant à l'air libre bien au-delà de 700 °C, il brûle comme du charbon et se transforme en dioxyde de carbone. À la fin du XVIIIe siècle, le chimiste britannique Tennant a mesuré la quantité de gaz produite en brûlant du diamant, montrant que sa composition était identique à celle du charbon : du carbone. Invincible face à la dureté, le diamant reste donc vulnérable à la chaleur et à l'oxygène.
En datant les minuscules minéraux emprisonnés à l'intérieur, on estime que la plupart des diamants naturels se sont formés il y a un à trois milliards d'années, voire plus. L'éruption qui les a portés en surface est, elle, bien plus récente : ils ont donc sommeillé très longtemps dans les profondeurs avant leur formation... pardon, avant leur remontée.
En résumé
La mine de crayon et le diamant sont tous deux entièrement composés de carbone. Le graphite n'est qu'un empilement de feuilles planes, ce qui le rend friable ; le diamant est un réseau tridimensionnel aux liaisons tous azimuts, ce qui le rend extrêmement dur. Et cette forme compacte du diamant ne peut naître que sous une pression extrême, environ 50 000 fois celle de l'atmosphère.
Même matériau, mais un arrangement différent : c'est une autre substance.
Le diamant est en quelque sorte « l'enregistrement de la pression » que les profondeurs de la Terre ont gravé dans le carbone.
D'autres histoires montrent comment la pression change la forme et les propriétés des choses. Pourquoi les créatures des abysses ne sont-elles pas écrasées par une pression d'eau aussi énorme ? 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 ? Voyez 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 une 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 complètement, en appuyant bien, un carré d'environ 5 cm de côté sur du papier.
- Regardez la surface noircie en l'inclinant sous une lumière artificielle. Alors qu'elle est noire, elle devrait briller d'un éclat argenté, presque métallique. C'est parce que les feuilles plates, alignées 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 dépose sur le ruban, et le papier semble légèrement plus clair. Ce sont les couches qui se détachent facilement qui ont migré vers le ruban.
Essayez aussi avec des crayons 4B, 2B ou HB. Plus le crayon est tendre, plus la proportion de graphite dans la mine est élevée, et plus l'éclat et le transfert sur le ruban sont nets. Lavez-vous les mains au savon après l'expérience.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau « chimie » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encart de manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matières universitaires spécialisées (thermodynamique chimique, pétrologie)
- RechercheSujet non encore établi même à l'université : ce que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Allotropie (variétés allotropiques) : des substances formées du même type d'atomes, mais aux propriétés différentes du fait de liaisons atomiques différentes. Le graphite et le diamant sont des variétés allotropiques du carbone. L'oxygène et l'ozone en sont un autre exemple.
- Cristal covalent : structure où les atomes partagent des électrons pour se lier, ce réseau s'étendant sans interruption dans tout le cristal. Le diamant en est l'exemple type, avec sa dureté et sa résistance à la fusion.
- Kimberlite : roche issue du refroidissement d'un magma remonté rapidement depuis les profondeurs. Connue comme « l'ascenseur » qui transporte le diamant.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle est la pression à 150 km de profondeur ?
Le poids des roches empilées au-dessus exerce une pression sur celles du dessous. On peut estimer cette pression par « densité de la roche × intensité de la gravité × 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 gravité (mètre par seconde carrée) |
| h | Profondeur (mètre) |
| Forme de la formule | P = ρ × g × h |
| Densité moyenne indicative des roches profondes | environ 3300 kg/m³ |
| Accélération de la gravité | 9,8 m/s² |
| Profondeur | 150 km (150 000 m) |
| Pression atmosphérique | environ 101 300 Pa |
| Poids indicatif d'un éléphant d'Afrique | environ 5000 kg |
| Densité × gravité | 3300 × 9,8 = 32 340 |
| × profondeur = pression (Pa) | 32 340 × 150 000 = 4 851 000 000 |
| Rapport à la pression atmosphérique | 4 851 000 000 ÷ 101 300 ≈ 47 887 |
| Force par cm² (N) | 4 851 000 000 ÷ 10 000 = 485 100 |
| Converti en poids (kg) | 485 100 ÷ 9,8 = 49 500 |
| Équivalent en éléphants | 49 500 ÷ 5000 ≈ 9,9 |
La pression à 150 km de profondeur est environ 50 000 fois celle de l'atmosphère. Cela équivaut au poids d'environ 10 éléphants posés sur une surface grande comme un bout de doigt.
| 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 |
À poids égal, le carbone occupe environ 40 % de volume en moins lorsqu'il devient diamant. Une forte pression favorise cette « forme qui peut rétrécir ».
LycéeLycée+Pourquoi la pression inverse-t-elle la forme « stable » ?
LycéeEn chimie, on apprend qu'un changement de conditions 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, de plus faible volume, ce qui atténue l'effet de la pression.
Lycée+Dans le graphite, le carbone se lie dans trois directions planes, et les électrons restants peuvent circuler librement dans toute la feuille. C'est pourquoi le graphite conduit l'électricité et possède un éclat métallique. Dans le diamant, chacun des quatre électrons du carbone est utilisé dans une liaison, 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, le diamant devient la forme stable au-delà d'environ dix mille et quelques atmosphères, 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 » : la barrière de transformation (énergie d'activation) est trop haute pour qu'il change. Chauffé à environ 1500 °C en l'absence d'oxygène, il commencerait à se transformer en graphite. Le diamant synthétique a été fabriqué pour la première fois dans les années 1950, en s'appuyant sur ce diagramme de phase, à l'aide d'appareils à haute température et haute pression.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Comment le carbone cristallise-t-il en profondeur ? On pense que le carbone dissous dans des fluides souterrains cristallise via des réactions d'oxydo-réduction, mais la nature de ces fluides et le lieu exact des réactions restent à l'étude.
- Des diamants venus de plus profond encore On a découvert des « diamants ultra-profonds », qui se seraient formés entre 300 et 700 km de profondeur 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'attention.
- Pourquoi le magma peut-il remonter si vite ? On pense que des gaz comme le dioxyde de carbone, formant des bulles, accélèrent la remontée, mais les estimations de vitesse réelle varient encore beaucoup.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « 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 pourra jamais creuser.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante 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 » | Allotropie, cristal covalent, température et pression en profondeur |
| Lycée+ | Chimie approfondie : « principe de Le Chatelier », « conductivité électrique du graphite » | Inversion de la forme stable sous pression, éclat du graphite |
| Université | Thermodynamique chimique, pétrologie | Diagramme de phase du carbone, métastabilité, kimberlite |
| Recherche | Géochimie, minéralogie des hautes pressions | Réactions de cristallisation, diamants ultra-profonds, vitesse de remontée du magma |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | En écrivant au crayon, ou en observant un diamant sur un bijou ou une lame d'outil |
- 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
- National Astronomical Observatory of Japan (éd.), Chronological Scientific Tables (『理科年表』, Observatoire astronomique national du Japon), Maruzen Publishing
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La température, la pression en profondeur et l'âge des diamants varient selon les études.