Dureté
Rappel
Les mailles sont hexagonales dans le graphite. La structure est composée de feuillets (graphènes) empilés et facilement séparables. Possédant quatre électrons sur sa couche externe, le carbone a tendance à attirer quatre électrons supplémentaires pour devenir stable. C’est le cas dans le diamant, car chacun de ses quatre électrons périphériques est mis en commun dans des liaisons covalentes. En revanche, le carbone du graphite laisse libre un de ses électrons périphériques pour créer des liaisons plus faibles entre les feuillets (liaisons de Van der Waals/ interaction London).
Pour les minéraux, la dureté est caractérisée par le rayage (Échelle de Mohs). "Dur" ne veut pas dire "solide", un diamant peut être très cassant selon certains plans. Il ne vaut mieux pas taper avec un marteau sur son diamant (si on en a un) pour en prouver la dureté car on risque d’être très déçu…
Alors que le diamant et le graphite ont la même composition chimique, le diamant est le plus dur des minéraux (10 sur l'échelle de Mohs) tandis que le graphite est un des plus mous (1 sur l'échelle de Mohs). En découle des propriétés différentes : le diamant est un très bon abrasif et le graphite fait parti des lubrifiants.
Le graphite
Le graphite est composé d’un empilement de feuillets où les atomes de carbone ont des liens forts sur le même plan ou couche, mais des liaisons faibles à la couche au-dessus ou en dessous. Ainsi si on touche un morceau de graphite, on a une sensation douce, glissante (grasse), due au glissement des feuillets de carbone les uns par rapport aux autres. Ils se détachent aisément car les liaisons entre feuillets sont faibles, ce qui explique que l’on puisse écrire avec du graphite (on laisse une trainée de feuillets détachés). On peut utiliser un paquet de cartes comme modèle analogique : chaque carte est solide, mais les cartes glissent l’une sur l'autre dans le paquet total.
Dans un feuillet, tous les atomes de carbone sont entourés de trois autres atomes séparés de 1.42 Å : c’est une liaison covalente. Entre chaque couche, la distance est de 3,4 Å. Les liaisons entre les couches sont de type "van der Waals". Ce sont des liaisons très faibles. Cela explique la très faible résistance du graphite aux contraintes mécaniques et sa faible dureté.
Le diamant
Le diamant lui a une dureté de 10 sur l’échelle de Mohs. Après l'étude du graphite, il est certain que s'il est si dur c'est bien à cause de sa structure.
Dans le diamant, les atomes de carbone ont des liens solides en trois dimensions. Les atomes sont très serrés, et chaque atome est lié à quatre autres atomes de carbone par des liaisons covalentes de mêmes forces. Ainsi sa structure tridimensionnelle est très solide et rigide. Les atomes de carbone forment de cette manière le réseau le plus dense du règne minéral.
Mais il faut aussi prendre en compte les forces de répulsion. Par exemple, le silicium forme une structure semblable à celle du diamant mais est beaucoup moins dur. Le silicium possède quatorze électrons alors que le carbone n’en possède que six. La répulsion électrostatique est donc moins élevée pour le carbone, et les liaisons sont plus petites et donc plus fortes.
De plus comme le réseau d’atomes est dense et « en rangs serrés », les attractions interatomiques et électrostatiques sont favorisées.
Le diamant est donc très dur (il est difficile d’arracher ou de déplacer un atome de carbone) en raison de l’arrangement idéal des atomes (réseau et maille cubique dense), des liaisons entre les atomes (solides et de même force) ainsi que des forces d’interactions élevées et de répulsion faible.