鑽石和鉛筆芯明明都是碳，為什麼硬度天差地別？
― 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，就會黑黑地磨損掉。鑽石卻是硬到連任何天然石頭都無法刮傷它的寶石。然而這兩者，都只由碳這種同一種原子組成。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底深處驚人的壓力。
在筆記本上寫字時，發現手側邊已經變得黑黑的。原來鉛筆芯正一點一點沾到紙上和手上。
同一天，在珠寶店的展示櫃裡，戒指上的鑽石閃閃發光。這顆石頭即使戴上幾十年，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。如果聽說這兩者其實是同一種材料，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，是像平坦薄板一樣連接起來，這些薄板只是層層疊在一起。鑽石則是每個原子都向四方伸出手，緊密組成立體的網狀結構。
若碳的重量相同，鑽石的體積會比石墨小將近四成。這種毫無空隙的緊密結構，只有在承受極大壓力的地底深處才能穩定存在。
第一點回答了「為什麼硬度不同」，第二點則回答了「為什麼鑽石稀有」。讓我們依序來看。
只是疊起薄板的筆芯，與向四方伸手的寶石
請看圖1左側。石墨中，一個碳原子會與同一平面上的3個原子牢牢結合。這形成了蜂窩狀六角形花紋的薄板。板內的結合非常牢固，但板與板之間，只靠微弱的力量鬆鬆地疊在一起。
所以，在紙上摩擦時，薄板會滑動剝落，剝落的薄板就沾到紙上。這就是鉛筆線條的真相。石墨感覺柔軟,並不是因為原子的結合力弱，而是因為存在容易剝落的方向。
圖1右側是鑽石。這裡一個原子會與4個原子結合。4隻手朝上下左右各個方向延伸，網狀結構立體且沒有斷點地連接著。無論從哪裡施壓，或想從哪裡剝開，都必定要切斷牢固的結合。這就是它成為天然物質中最硬材料的原因。
緊密的結構，只在地底深處才會誕生
比較圖1下方的數字，同樣大小下，鑽石比石墨重約1.6倍。也就是說，原子排列得更緊密。當施加強大壓力時，物質會傾向轉變成體積較小的形態。因此在擠壓般的壓力下，對碳來說，鑽石的形態才是「穩定的形態」。
不過，這股壓力大得驚人。大多數天然鑽石被認為誕生於大陸地底、深度大約150公里以下的地方（圖2）。溫度超過1000℃，壓力則約為大氣壓力的5萬倍。換算下來，相當於指尖大小的1平方公分上，壓著大約10頭大象的重量。
在地表這種微弱壓力下，對碳而言穩定的是石墨。因此石墨在地表岩石中隨處可見。相對地，要取得鑽石，就必須有某種機制把誕生於地底深處的結晶，運送到地表來。
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。如果地表穩定的形態是石墨，那麼鑽石最終會不會變回石墨呢？
答案是「雖然想變回去，但變不回去」。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作為這個變化的觸發條件。因此，這種轉變的速度，被認為即使以地球歷史的長度來看，也慢到令人察覺不出來，更別說一個人的一生了。
如果慢慢上升，途中經過高溫的地方時，就有可能變成石墨。天然鑽石能夠保存下來，被認為是因為含有大量氣體的特殊岩漿，如圖2箭頭所示，在短則數小時、長則數天內一口氣衝到接近地表的地方。這條通道冷卻凝固後形成的岩石，就是全世界礦場開採的「金伯利岩」。
鑽石是碳的結晶塊，據說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）調查了燃燒鑽石所產生的氣體量，證明了它的成分和木炭一樣是碳。鑽石雖然在硬度上無人能敵，卻不耐熱與氧氣。
調查被封閉在鑽石內部的微小礦物的年代後發現，許多天然鑽石被認為誕生於10億到30億年前甚至更早。而把它們運送到地表的火山噴發，時間上要新得多，可見鑽石誕生後，曾在地底深處沉睡了很長一段時間。
總結
鉛筆芯和鑽石，都只由碳組成。石墨只是平坦薄板疊在一起，所以容易剝落；鑽石則是向四方伸手的立體網狀結構，所以非常堅硬。而鑽石那種緊密排列的形態，只有在大氣壓力約5萬倍這種極端壓力下才能誕生。
即使材料相同，只要排列方式改變，就會變成不同的物質。
鑽石，是地球的深度刻在碳上的「壓力記錄」。
壓力改變物體形態與性質的故事，還有其他例子。深海生物為什麼不會被巨大水壓壓垮的原因，收錄在深海生物為什麼不會被那種水壓壓垮？；地球中心的鐵即使溫度極高卻仍保持固態的原因，收錄在地球中心明明和太陽表面一樣熱，為什麼沒有熔化？。原子排列方式決定「浮起・下沉」的故事，也可參考為什麼冰會浮在水上？。
- 用最深色的鉛筆（如6B），在紙上約5公分見方的範圍內，用力且不留空隙地塗滿。
- 把塗黑的那一面斜著對著燈光看。明明是黑色，卻應該會像金屬一樣泛出銀色光澤。這是因為平坦的薄板朝同一方向整齊排列平躺著，像鏡子一樣反射光線。
- 在塗黑的那一面貼上透明膠帶，用手指摩擦後慢慢撕下來。膠帶上會沾到一層薄薄的灰色薄膜，紙也會變得稍微薄一點。這是因為容易剝落的層，黏到膠帶上被帶走了。
也可以用4B、2B、HB鉛筆來比較看看。筆芯越深色，所含石墨的比例越高，發光方式和沾黏程度也會更明顯。因為會弄髒手，做完請用肥皂洗手。
想知道更多的人請看 ― 用語・公式・與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理科所學的範圍
- 高中高中「化學」「地球科學」所學的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不學的、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會當作「定論」教授，是研究人員目前正在探究中的話題
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，卻因為原子連接方式不同而性質相異的物質之間的關係。石墨與鑽石就是碳的同素異形體。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結合，並且沒有斷點地擴展到整個結晶。鑽石是代表性的例子，具有堅硬、不易熔化的性質。
- 金伯利岩：從地底深處急速上升的岩漿冷卻凝固後形成的岩石。以運送鑽石上來的「電梯」而聞名。
國中高中用公式驗證：深度150公里的壓力，到底有多大？
上方堆疊岩石的重量，會變成向下擠壓岩石的壓力。壓力可以用「岩石密度 × 重力強度 × 深度」來估算。地下岩石的密度會隨深度變化，這裡使用平均值作為參考。
| 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（參考值） | 約3300 kg/m³ |
| 重力加速度 | 9.8 m/s² |
| 深度 | 150 km（150000 m） |
| 大氣壓力 | 約101300 Pa |
| 非洲象1頭的重量（參考值） | 約5000 kg |
| 密度與重力相乘 | 3300 × 9.8 ＝ 32340 |
| 乘上深度得出壓力（Pa） | 32340 × 150000 ＝ 4851000000 |
| 是大氣壓力的幾倍 | 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，大約是大氣壓力的5萬倍。相當於指尖大小的面積上，壓著約10頭大象的重量。
| 石墨的密度（參考值） | 約2.2 g/cm³ |
| 鑽石的密度 | 約3.5 g/cm³ |
| 相同重量下的體積比 | 2.2 ÷ 3.5 ≒ 0.63 |
| 縮小的比例 | 1 − 0.63 ＝ 0.37 |
相同重量的碳，變成鑽石後體積會縮小約四成。強大的壓力，正好促成了這種「能夠變小的形態」。
高中高中＋為什麼壓力會讓「穩定的形態」互換
高中化學課學過，當條件改變時，狀態會朝著緩和這個變化的方向移動（勒沙特列原理）。提高壓力時，會朝體積較小的鑽石一側移動，藉此緩和壓力帶來的影響。
高中＋石墨的碳，在平面上朝3個方向結合，剩下的電子可以在整個薄板上自由移動。因此石墨能導電，並帶有金屬般的光澤。鑽石的碳則將全部4個電子都用於結合，幾乎不導電，且呈透明。
大學相圖與「介穩態」
依溫度與壓力，標示哪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1萬多個大氣壓，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，雖然能量較高，卻因為變化的門檻（活化能）過高而無法轉變，處於「介穩態」。據說在無氧環境中加熱到約1500℃，就會開始變成石墨。人造鑽石則是在1950年代，依據這張相圖，用高溫高壓裝置首次製造出來的。
研究尚未完全弄清楚的事
- 碳如何在地底深處變成結晶 一般認為，溶解在地下流體中的碳，透過氧化・還原反應變成結晶，但那種流體的真實面貌與反應發生的位置，仍在研究之中。
- 來自更深處的鑽石 已發現被認為誕生於深度300～700公里左右的「超深部鑽石」。從其中封閉的礦物，得到了地球深部含有水的線索，因而備受關注。
- 岩漿為什�麼能上升得那麼快 一般認為是二氧化碳等氣體形成氣泡加速上升，但實際速度的估算差異很大。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「目前已知範圍內的說明」。鑽石，也是人類無法挖掘到達的地球深處，寄來的少數「實體信件」。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「物質的樣態」「壓力」「大地的構成」 | 密度差異・岩石重量造成的壓力・岩漿 |
| 高中 | 化學「化學鍵結・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、岩漿的上升速度 |
| ― | 與生活的連結 | 用鉛筆寫字時、觀看寶石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』（日本官方天文年鑑）丸善出版
※本文為一般大眾科學解說。文中所列數值，僅為理解機制所用的參考・概略數字。地下的溫度與壓力、鑽石的年代，依研究不同會有差異。