La chimie et la structure des diamants

Le mot «diamant» est dérivé du mot grec «adamao,«signifiant« j'apprivoise »ou« je soumets »ou le mot connexe»adamas,»qui signifie« acier le plus dur »ou« substance la plus dure ».

Tout le monde sait que les diamants sont durs et beaux, mais saviez-vous qu'un diamant pourrait être le matériau le plus ancien que vous pourriez posséder? Alors que la roche dans laquelle se trouvent les diamants peut avoir entre 50 et 1 600 millions d'années, les diamants eux-mêmes ont environ 3,3 milliard ans. Cette différence vient du fait que le magma volcanique qui se solidifie en roche, où se trouvent les diamants, ne les a pas créés, mais a seulement transporté les diamants du manteau terrestre à la surface. Des diamants peuvent également se former sous les pressions et températures élevées sur le site des impacts de météorites. Les diamants formés lors d'un impact peuvent être relativement «jeunes», mais certaines météorites contiennent des poussières d'étoiles - des débris de la mort d'une étoile - qui peuvent comprendre des cristaux de diamant. Une telle météorite est connue pour contenir de minuscules diamants de plus de 5 milliards d'années. Ces diamants sont plus anciens que notre système solaire.

Commencez avec le carbone

Comprendre la chimie d'un diamant nécessite une connaissance de base de l'élément carbone. Un atome de carbone neutre a six protons et six neutrons dans son noyau, équilibrés par six électrons. La configuration de la couche d'électrons du carbone est de 1 s²2s²2p². Le carbone a une valence de quatre puisque quatre électrons peuvent être acceptés pour remplir l'orbitale 2p. Le diamant est constitué d'unités répétitives d'atomes de carbone reliées à quatre autres atomes de carbone via la liaison chimique la plus forte, les liaisons covalentes. Chaque atome de carbone se trouve dans un réseau tétraédrique rigide où il est équidistant de ses atomes de carbone voisins. L'unité structurelle du diamant se compose de huit atomes, fondamentalement disposés en cube. Ce réseau est très stable et rigide, c'est pourquoi les diamants sont si durs et ont un point de fusion élevé.

Pratiquement tout le carbone sur Terre provient des étoiles. L'étude du rapport isotopique du carbone dans un diamant permet de retracer l'histoire du carbone. Par exemple, à la surface de la Terre, le rapport des isotopes carbone 12 et carbone 13 est légèrement différent de celui de la poussière d'étoile. De plus, certains processus biologiques trient activement les isotopes du carbone en fonction de la masse, de sorte que le rapport isotopique du carbone présent dans les êtres vivants est différent de celui de la Terre ou des étoiles. Par conséquent, il est connu que le carbone de la plupart des diamants naturels provient le plus récemment du manteau, mais le carbone de quelques diamants est le carbone recyclé de micro-organismes, transformé en diamants par la croûte terrestre via la tectonique des plaques. Certains diamants minuscules qui sont générés par les météorites proviennent du carbone disponible sur le site de l'impact; certains cristaux de diamant dans les météorites sont encore frais des étoiles.

Structure en cristal

La structure cristalline d'un diamant est un réseau cubique à face centrée ou FCC. Chaque atome de carbone rejoint quatre autres atomes de carbone en tétraèdres réguliers (prismes triangulaires). Sur la base de la forme cubique et de sa disposition hautement symétrique d'atomes, les cristaux de diamant peuvent se développer en plusieurs formes différentes, appelées «habitudes cristallines». L'habitude en cristal la plus commune est l'octaèdre à huit côtés ou la forme de diamant. Les cristaux de diamant peuvent également former des cubes, des dodécaèdres et des combinaisons de ces formes. À l'exception de deux classes de formes, ces structures sont des manifestations du système cristallin cubique. Une exception est la forme plate appelée macle, qui est en réalité un cristal composite, et l'autre exception est la classe des cristaux gravés, qui ont des surfaces arrondies et peuvent avoir des formes allongées. Les vrais cristaux de diamant n'ont pas de faces complètement lisses mais peuvent avoir des excroissances triangulaires en relief ou en retrait appelées «trigones». Les diamants ont un clivage parfait dans quatre directions différentes, ce qui signifie qu'un diamant se séparera proprement le long de ces directions plutôt que de se briser de manière irrégulière. Les lignes de clivage résultent du fait que le cristal de diamant a moins de liaisons chimiques le long du plan de sa face octaédrique que dans d'autres directions. Les diamantaires profitent des lignes de clivage pour les pierres précieuses à facettes.

Le graphite n'est que quelques électrons volts plus stable que le diamant, mais la barrière d'activation pour la conversion nécessite presque autant d'énergie que la destruction de la totalité du réseau et sa reconstruction. Par conséquent, une fois le diamant formé, il ne se reconvertira pas en graphite car la barrière est trop haute. On dit que les diamants sont métastables car ils sont cinétiquement plutôt que thermodynamiquement stables. Sous les conditions de pression et de température élevées nécessaires pour former un diamant, sa forme est en fait plus stable que le graphite, et donc au fil des millions d'années, les dépôts carbonés peuvent lentement se cristalliser en diamants.