Bonjour à tous.

Je suis actuellement en première S, et je travaille sur mes TPE. Je ne sais pas si il y a des connaisseurs sur le forum, mais je tente ma chance. Je m'occupe de la partie formation du diamant. La recherche d'informations n'est pas simple, et demande beaucoup de temps. Bien sûr, je poste ici en dernier recours. J'ai cherché en vain des informations concernant le remontée des diamants lors d'éruptions kimberlitiques. Je n'ai que très peu d'informations sur le phénomène.

J'aurai d'autres questions sur les propriétés physico-chimiques du diamant, si c'est possible.

Merci beaucoup.
Gregoire22

Et un cours de thermodynamique en version expéditive et vulgarisée !

Alors, en fait le carbone existe naturellement sous deux formes, une forme dite graphite, la plus courante, et la forme diamant, la moins courante évidemment. Ceci est du aux conditions nécessaires à la formation du diamant.
On dit que graphite et le diamant sont des variétés allotropiques du carbone. En réalité il en existe plusieurs autres, comme la Lonsdaléite, encore plus rare et bien plus résistant que le diamant (si si, il y a plus résistant).

Alors voyons en détail les conditions nécessaires à la formation du diamant.
Le diamant est thermodynamiquement instable à T=298K et à une pression standard de 1 bar.

Ce qu'il faut regarder, c'est ce qu'on nomme l'affinité chimique, noté <math>\(\mu\)</math>. Cette affinité chimique doit être la plus petite possible pour que le corps soit le plus stable possible. Ainsi si tu veux former plutôt du diamant, il faut <math>\(\mu _{\left ( graphite \right )} > \mu _{\left ( diamant \right )}\)</math>.

Or, l'affinité chimique n'est autre que l'énergie de Gibbs (partielle) molaire, c'est à dire dans des termes simples, une grandeur thermodynamique appelé fonction d'état qui permet d'acquérir des renseignements utiles sur ton système (notamment pression, température, énergie interne, etc).

On a : <math>\(\mu(T,P) = G_{m}(T,P)\)</math>

Quelques autres fonctions d'états : <math>\(H\)</math> enthalpie, <math>\(S\)</math> entropie, <math>\(U\)</math> énergie interne, etc. Et tu peux en définir autant que tu veux par des procédés mathématiques assez simples (transformés de Legendre notamment), cependant celles que je viens de citer sont celles qui sont très utiles (d'où le fait qu'on leur ait donné un petit nom).

En thermodynamique formelle, on montre que <math>\(G_{m} = H_{m} - TS_{m}\)</math> (en fait c'est pratiquement plus une définition, car tu retrouves cette formule avec justement les transformées de Legendre).
Avec des tables thermodynamiques (c'est à dire de longs et (pas) passionnants tableaux contenant les valeurs d'une fonction d'état, généralement à la pression standard, en fonction de la température) tu es capables d'avoir ton enthalpie molaire <math>\(H_{m}\)</math> et ton entropie <math>\(S_{m}\)</math> molaire, ce qui va nous aider par la suite (puisqu'une grandeur molaire, c'est simplement la dérivée partielle de cette grandeur par rapport à la quantité de matière à T et P constante).

On sait que la température a assez peu d'influence sur l'affinité chimique des solides, donc on va chercher la pression nécessaire à l'obtention du <math>\(\mu\)</math> qui nous intéresse.

Une dernière formule avant d'attaquer : <math>\(d\mu = V_{m}dP\)</math> avec <math>\(V_{m} = M/\rho \simeq constante\)</math>. Avec rho la densité volumique et <math>\(V_{m}\)</math> le volume molaire.
On a donc <math>\(\mu(T^{0},P) = \mu^{0}(T) + M(P-P^{0})/\rho\)</math> où <math>\(P^{0}\)</math> est la pression standard de 1 bar et <math>\(\mu^{0}(T)\)</math> l'affinité chimique standard du carbone à la température donnée.

En résolvant l'équation <math>\(\mu_{graphite}(T^{0},P) \leq \mu_{carbone}(T^{0},P)\)</math> (avec tous les élements que je t'ai donné, ça devrait être facile), tu trouves que la pression doit être supérieur à 16kbar, ce qui est gigantesque. Voila pourquoi le diamant ne se forme qu'en profondeur et qu'il est rare d'en trouver.

La différence majeure entre le graphite et le diamant réside dans leur structure cristalline.
On a une maille cubique pour le diamant :

Tandis que pour le graphite tu as des plans de clivage qui le rende très fragile.

Merci beaucoup pour ce cours court mais intense de thermodynamique, et merci d'avoir pris le temps d'écrire ça
Connaitrais-tu un peu le volcanisme kimberlitique, car c'est la grosse zone d'ombre pour moi. Pour ce qui est de la formation proprement dite du diamant : pour faire simple grâce aux fluides carbonés puis par la rencontre d'un panache qui engendre pour faire simple un déstabilisation partielle du manteau, et la formation d'un magma kimberlitique, j'ai bien compris.

Merci par avance.

Je ne sais pas ce que tu sais ou ne sais pas. Je vais donc essayer te faire un résumé de ce que j'ai lu et appris par une prof de géologie à la fac (plutôt spécialisée dans la métallogénie).

Le diamant est issu de ce qu'on appelle le métamorphisme, je ne sais pas si tu connais. Le métamorphisme se joue sur la thermodynamique (cf. Hod). Certaines roches peuvent être amenées suivant la tectonique à être enfouies en profondeur ou à être à l'inverse exhumées à la surface. Comme on change les paramètres dans lesquelle la roche était (température et/ou pression et/ou présence de fluides circulant) la roche ou du moins les minéraux ne seront plus stables à ces nouvelles conditions et donc les minéraux vont pouvoir réagir entre rux et/ou changer de "forme" comme du graphite au diamant. C'est le métamorphisme (avec l'explication forte intéressante de Hod).

Sauf que le métamorphisme ne se fait pas en quelques jours ou quelques années mais sur quelques millions d'années. Les réactions physico-chimiques qui s'opèrent n'ont rien avoir avec la vitesse de réaction dans un tube à essai en chimie. Cela m'emmène aux kimberlites.

C’est un type de magma particulier qui se forme dans des conditions particulières et donc forment des roches volcaniques aussi particulières à ceci près qu'elles sont rares. Ce type de magma ne se forme qu'aux niveaux des cratons. Ce sont des morceaux de croûte continentale qu'on appelle aussi bouclier (du fait de la forme de certains cratons). Les cratons sont les premières formes de croûte continentale. A l'Archéen (3.8 à 2.5 Ga !), par endroit s'est formé un magma particulier qui en refroidissant à donner les premiers cratons. Ils n'ont subi que très peu de perturbations mise à part des collisions avec d'autres petits blocs de croûte continentale (ce qui a formé les principaux continents à la fin de l'Archéen par un jeu « d’emboîtement »).

Ainsi ces zones sont pour le moins tectoniquement très très peu actives. En refroidissant depuis leur formation, elles sont devenues très épaisses (jusqu'à 250 km de profondeur). Il en va de même pour le manteau lithosphérique sous-cratonique qui est très froid par rapport à un manteau « normal ».

Pourquoi je te parle de ça car justement certains fluides carbonatés et magnésiens (MgCO3) ont pu circuler à l'époque à la base de ces cratons (venant de roches sans doute sédimentaires issu de l’érosion des premiers cratons formés) et au niveau du manteau lithosphérique. Par endroit de très rares diamants se sont formés (du fait de la température et de la pression où on se trouve et aussi du très faible pourcentage en fluide carbonaté). De plus le MgCO3 est plutôt stable sous les cratons. Et donc quand on date ces diamants kimberlitiques on s'aperçoit qu'ils ont l'âge de formation du craton où on les a trouvés.

Maintenant parlons des kimberlites. Effectivement il y a une histoire de panache. En fait, un panache est une remonté localisée de roche mantellique très chaude qui vient du manteau profond. Ce panache remonte très vite dans le manteau ainsi il n'a pas le temps de se refroidir en chemin. Il va finir par arriver sous la lithospère cratonique et être bloqué. Il va donner sa chaleur au manteau sous-cratonique. Or ce manteau possède un peu de MgCO3 qui est stable mais comme la température va subitement remonter à cause du panache et bien le MgCO3 se déstabilise et va réagir avec les roches du manteau sous-cratoniques. Le Mg va réagir avec les sillicates pour former des minéraux très riches en Mg et le CO2 va être relargué sous forme de fluide.

Or ce fluide va permettre d'abaisser le point de fusion (comme en verrerie on abaisse le point de fusion de la silice avec du plomb par exemple ce qui forme du cristal). Ainsi le manteau se met à fondre à certains endroits et un peu de magma est formé : le magma kimberlitique. Ce magma très visqueux et riche en CO2 n'a d'autre « envie » que de remonter. Le problème s'est qu'il va remonter très très rapidement. Il va arracher ainsi quelques morceaux de l'encaissant, c'est-à-dire de la colonne de roche qu'il traverse et donc il va inclure de petits fragments comme nos diamants ! On parle d'ailleurs de xénolithe : une lave avec des blocs de roche différente (=enclave). On aura donc des enclaves de diamant dans le magma kimberlitique. Comme la remontée très rapide, le diamant n’a pas le temps de se (re)transformer en graphite (voir explication du métamorphisme). Arrivé à la surface du fait entre autre de la pression en CO2, ce gaz va se détendre brutalement et donc va former du volcanisme explosif, le magma se dégaze brutalement et forme de la lave qui va refroidir et conserver ses enclaves.

C'est pour ça que si tu regardes un volcan de kimberlite du va voir un énorme trou circulaire avec quelques fois un lac au fond. C'est à cause de la violante explosion. Ces kimberlites se sont formées depuis l'Archéen jusqu'à très récemment (environ oligocène) bien que de mémoire d'homme on ne connait pas de telle éruption. En tout cas, on a les diamants (rares) dans ces roches qu’on peut exploiter.

Voilà j'espère que ça te servira et que j'ai été assez clair. Si tu as des questions plus précises n'hésite pas. Je vais essayer d'y répondre.

Je signale juste que j'ai édité mon premier poste pour le compléter un petit peu et surtout être plus précis (notamment l'influence de la température sur l'affinité chimique des solides); autant être rigoureux.

Pour résumer, pour la formation du diamant, tu peux aborder ça d'une manière géologique, avec une explication intéressante et complète de Le Shaman (vagues souvenirs de métamorphisme des roches qui me reviennent, même si c'était plus pour l'étude en thermochimie pour ma part), et une approche thermodynamique. Les deux sont indissociables.

Pour les propriétés physico-chimique du diamant, on s'attaque à un autre domaine qui est la cristallographie, c'est à dire l'étude des mailles et structures cristalline des composés. C'est un autre domaine très intéressant, et tu peux voir que tout est relié.

Je vous remercie vivement pour vos réponses très complètes, qui, de plus, m'aident beaucoup !
Je n'ai pas le temps de lire en entier le post de Le Shaman, car je n'ai pas le temps. Je lis ce soir.

Merci beaucoup.
Gregoire22

@hod : si tu veux aller jusqu'au bout je te suggérerais d'ajouter un petit graphe avec l'enthalpie libre de chacune des deux formes pour *montrer* la métastabilité du diamant.

Ajouter que le graphite usuel est de structure hexagonal compact (par rapport au cfc que fait le diamant) permet aussi de directement montrer les feuillets de graphite et expliquer sa fragilité.

Bonjour à tous.
Merci beaucoup pour vos réponses, qui m'ont d'ailleurs beaucoup aidé.

je n'arrive pas à trouver d'informations précises sur la cristallisation du diamant. Tout ce que je sais, c'est ce que vous m'avez dit, et les choses classiques que l'ont trouve sur internet.

Pourriez-vous m'en dire plus ?

Merci beaucoup.
Gregoire22

Tout a déjà été dit dans ce qu'il y avait de simple : le diamant, c'est généralement un graphite qui a subi de hautes pressions et passe d'une structure lamellaire à un cubique faces centrées avec la moitié des sites tétra occupés.

C'est tout ce qu'il y a à garder si tu n'as ni compétence en chimie quantique, ni en cristallographie. Quand je dis qu'il n'y a rien d'autre, c'est :
1) Les considérations thermodynamiques fonctionnent déjà bien pour décrire le phénomène
2) S'il faut passer par les orbitales moléculaires pour expliquer (semi-quantitativement seulement en plus !) comment le tout se passe, c'est beaucoup de job pour pas grand chose
3) S'il faut passer par la théorie du champ cristallin, même chose qu'en "2)".

Au final donc, pour un TPE : graphite ==pression==> diamant, graphite == feuillets, diamant == structure compacte


Petite addition : je viens de voir l'article wiki... Une fois complété avec les encyclopédies de ton lycée, ça devrait donner quelque chose de pas trop mal.

Ok, merci beaucoup.
Je voulais simplement être certain que ma partie soit complète.

Voulez bien jeter un oeil à ce que j'ai fait ? http://tpe.legtux.org/formation.php
Je précise que ça n'est pas terminé.

Merci.
Gregoire22

Il faut revoir la concordance des temps et la syntaxe.

Pour l'intro :
1) c'est trop long,
2) tu parles trop du sujet,
3) tu ne parles pas assez du thème, ce qui vous a amené à choisir le sujet dans le thème, le lien thème/sujet, en quoi les diamants sont une bonne illustration de ce lien, etc.,
4) la problématique est mal exprimée,
5) je trouve que faire une partie "introduction" fait très très "scolaire" (je ne parle pas de faire une introduction de façon générale : c'est nécessaire, je parle de numéroter ce passage comme une partie à part entière),
6) ne prendre *que* wikipedia en référence, ça fait mal,
7) tu cites Pline l'ancien, alors donne les références du texte en question,
8) le but d'un TPE n'est pas de reformuler le contenu d'une encyclopédie, le but est de vous former à la recherche et à la rigueur qu'elle impose : à la lecture du texte, j'aurais tendance à dire que tu ne sais pas ce qu'est une variété allotropique,
9) le graphite n'est pas, dans l'absolu, la forme allotropique la plus stable du carbone,
10) les diamants dits "naturels" ne sont pas composés de carbone pur (ben oui, wiki s'est planté)
11) "Les diamants ne sont autre que des allotropes du carbone pur, qui, soumis à des conditions extrêmes dans le manteau terrestre de la Terre, adopte le système cristallin du diamant. En effet, cette gemme est issue de ce que l'on appelle le métamorphisme. Cependant, ce processus endogène De ce fait, celle-ci n’est stable qu’en présence de pressions équivalentes à 70.000kg.cm-1, celles-ci se trouvant dans des profondeurs de l’ordre de 120 à 150km sous Terre. D’origine mantellique, les diamants sont de plus exposés à des températures d’environ 1500 degrés Celcius."
me donne vraiment l'impression que tu n'as pas compris un traître mot de ce que tu as écrit... je suis peut-être dans le faux, mais c'est l'impression que ça me donne,
12) l'usage veut qu'on mette des légendes aux figure expliquant ce dont il est question et le texte doit référencer les figures (si ce n'est pas le cas, alors la figure n'illustre rien et est inutile).


Voilà, plus de remarques plus tard.

NB: je sais, je suis sévère, mais autant m'en charger plutôt que tes profs.

1) trop long ? Ah ok, je trouvais ça trop court
2) 3) Ok
4) Ca je sais, mais en fait y'a eu un problème, les deux autres personnes de mon groupe ont mis une mauvaise problématique sur leur synthèse personelle, donc on est obligés de garder celle-ci :/
5) Euh, je peux éventuellement supprimer "I) Introduction"
6) Que wikipedia ? On a prit zéro infos sur wikipedia justement
7) Ok
8) une variété allotropique ? Et bien c'est les différentes formes physiques, moléculaires ou autres sous lesquelles peut se présenter le carbone. Peut-être que c'est mal exprimé.
9) Ok, je met que c'en est "une" alors.
10) Désolé, mais on a pas utilisé wikipedia, ca fait pas du tout sérieux. C'est vrai, il faut que je mette qu'il y a pas mal de coprs étrangers dedans comme de l'azote(je crois).
11) Non, j'ai vraiment tout compris. Je dois mal m'exprimer. C'est vrai que ça fait pas très clair, je vais arranger ça.
12) J'ai mis des légendes en dessous des schémas. Par contre, je ne savais pas qu'il fallait les référencer, je vais le faire.

Merci beaucoup, c'est vraiment sympa de m'aider.
Je me dis que c'est autant de choses qu'auraient pu nous dire les profs, donc ça fait un peu froid dans le dos

Gregoire22

1) "Trop long" dans le sens : ton intro ne doit pas être un résumé du contenu de ton dossier. Tu peux la faire longue, mais ne raconte pas ce que tu raconteras plus tard dans tes autres parties. Et là encore, comprends-moi bien : il faut faire un plan dans l'intro et se référer aux parties subséquentes, mais il ne faut pas déjà dire, en substance, comment on forme un diamant.
4) Oui et non, une petite reformulation passera inaperçue... Et même si ce n'était pas le cas, vous pourrez toujours dire qu'elle semblait plus claire dans sa nouvelle formulation. C'est juste que pour l'instant, votre problématique semble super alambiquée pour pas grand chose.
5) Oui, je pense que c'est une bonne idée... De toute façon, on sait que c'est de l'intro...
6) Je me trompe peut-être, mais je n'ai pas l'impression de lire quelque chose dans ton texte qu'il n'y a pas sur la page "diamant" de wikipedia. Dans tous les cas, cela montre que tu n'as peut-être pas suffisamment cherché au delà... Des informations inédites dans wiki mais sourcées convenablement (venant de Universalis, Encarta, etc.) font vraiment très bien dans un TPE : ça montre que l'info est cherchée partout et recoupée. Par exemple, ce problème est visible en ce qui concerne les variétés allotropiques du carbone : ce n'est pas compliqué à comprendre, mais le fait que le mot soit mal employé montre bien que tu n'es pas allé assez loin dans la recherche. Ce n'est pas une grosse critique que je te fais là, mais quelqu'un qui construit un dossier sur des connaissances approximatives, ça se remarque souvent. Comme je te dis, que ce soit le cas ou non, le peu de profondeur obtenu donne l'impression que tu t'es arrêté à la page diamant.
8) Oui et non... Déjà, ce n'est pas une caractéristique du carbone uniquement, et en plus, sans parler de cristallographie et du contexte dans lequel le système est, tu n'auras pas de "bonne" définition.
9) Non, cela montre précisément que tu n'as pas compris ce point.
10) Oui, un diamant est toujours dopé par une foultitude d'autres éléments.
11) OK
12) Ben, je sais qu'au lycée, ce n'est pas encore quelque chose d'automatique... Ne t'inquiète pas, à BAC +5 je répétais encore à des collègues qu'une figure illustre et aide à la compréhension d'un propos. Ton propos, c'est le texte... Tes figures doivent donc être des illustrations de notions vues dans le texte (== une figure, ce n'est pas là juste pour faire joli dans le rapport !).


Bon, c'est vrai que je suis un peu dur, mais je t'assure que ce n'est pas par malice. Je suis certainement bien plus exigeant que tes profs le seront... Mais bon, au moins soit sûr que si je considère ton dossier comme bon, tes profs le trouveront très bon voire excellent.

Merci beaucoup.
Je vais essayer de corriger tout ça.
Et sinon, auriez vous une appréciation globale du dossier ? J'ai oublié de préciser, qu'en plus, on a une bd comme production, car un garçon de mon groupe a beaucoup de talent. Elle explique la formation, mais de manière simplifiée.

Gregoire22

Citation

Chaque atome de carbone est associé de façon tétraédrique à ses quatre voisins les plus proches (hybridation sp3 du carbone), et complète ainsi sa couche extérieure. On appelle cela un cristal de coordinence 4.

Sais-tu vraiment ce qu'est une hybridation sp3 ?

Sinon, on parle plutôt de configuration électronique et non de cortège.

Citation

Sa biréfringence

Sais-tu ce qu'est la biréfringence ? Le diamant a-t-il un biréfringence ordinaire ou extra-ordinaire ?

Pourrais tu préciser de qui sont ces citations, merci.

Pour le carbone SP3, je ne vois pas ou est le problème

http://tpe.legtux.org/
Si j'étais prof, c'est les deux questions que je poserais. Parce que j'aimerai bien que mes élèves sachent de quoi ils parlent, même vaguement.

s et p sont référence aux cases quantiques, le carbone étant 1s² 2s² 2p² mais en fait est plus stable sous la forme 1s² 2s1 2p3, d'où le sp3 (s1 p3)

Pour cortège électronique, oui c'est plutôt couche électronique, configuration électronique...

Pour l'image du cristal de carbones (http://tpe.legtux.org/images/coordinence4-2.png) j'aurai plutot mis une image avec le carbone au centre d'un cube et les autres carbones sont à la place d'un sommet sur deux, dans le principe c'est comme le CH4 :

EDIT : je viens de retrouver une image :

Merci de vous intéresser au sujet.
J'ai contacté avant-hier un professeur de minéralogie au museum d'histoire naturelle de Paris.
Il a donc pu répondre à beaucoup de mes questions, notamment sur la formation du diamant.
J'ai préparé une autre série de questions, donc je vais essayer de le recontacter.

@profbioch, la question s'adressait à gregoire22 en fait, mais merci quand même. x)

Je crois que j'ai fais une grosse erreur en mettant ça :/ (j'ai rendu la production).
Après avoir fait des recherches, ça a l'air assez complexe, etre, et en plus, cela semble toucher a la physique quantique...

Je vais tenter de poser ce genre de question au professeur de minéralogie avec qui nous sommes en contact.
Auriez vous d'autres remarques de ce type, pour que nous puissions préparer au mieux l'oral des TPE ?

Merci beaucoup, vous nous êtes d'une grande aide =D
Gregoire22.

non c'est pas vraiment de la physique quantique, on place les électrons dans des cases (quantiques) pour former les couches (s, p, d, f). Plus un atome aura d'électron plus il y aura de cases pleines...
Pour le schéma du cristal, personnellement je préfère l'image avec le C au centre et un atome sur 1 sommet sur 2 que le schéma que reprend Hod en haut de cette page, mais c'est juste mon point de vue, c'est pas faux pour autant.

Pour le C tu mets 1s² 2s² 2p² , c'est pas faux en soi mais le C est plus stable sous la forme 1s² 2s1 2p3, c'est grâce à cette forme qu'il peut faire 4 liaisons covalentes, sinon il n'en aurait que 2.

EDIT : si tu cherches à savoir un peu plus sur les spdf: http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A8gle_de_Klechkowski

Parler de cases quantiques, c'est déjà parler de chimie quantique.

Alors, conceptuellement, tu n'as pas besoin de savoir ce que c'est exactement, d'où la réponse de profbioch.

Concernant l'hybridation du carbone, sp3 est celle retrouvée dans le diamant. Mais ce n'est pas la plus stable ! Le diamant est une structure métastable à température ambiante. En fait, si on lui laissait suffisament de temps, il se retransformerait en graphite dans les conditions normales. Or le graphite est d'hybridation sp2 donc l'hybridation carbone-carbone la plus stable à température et pression ambiante est bien sp2.

En ce qui concerne quelle configuration adopter, 1s² 2s1 2p3 est aussi fausse que 1s² 2s² 2p². Cependant, les explications deviennent assez ardues (bien qu'accessibles "avec les mains" par un élève de lycée)...

La configuration électronique à l'état fondamental du carbone est 1s² 2s²2p², je ne vois pas en quoi c'est faux...

Oui oui, mais je faisais référence à un C dans le cas d'une liaison C-C. Si on veut vraiment représenter "comment c'est" dans le diamant, il vaudrait mieux dire, dans l'état fondamental toujours que la configuration électronique est composée d'une OA/OM s peuplée de deux électrons et 4 OM sp3 peuplées par 1 électron chacune.

Mais comme je le disais plus tôt, on commence à rentrer dans une atomistique un petit peu plus ardue. Je ne faisais que souligner qu'en fait, on a plus de {s s p} mais {s sp3 sp3 sp3 sp3}... La forme que tu prétends plus stable, en toute rigueur, ne l'est pas. Je chipote, mais je préfère largement voir la configuration du carbone isolé dans son état fondamental en parlant du diamant plutôt qu'une forme fausse censée prendre en compte l'hybridation sp3.

(Ceci dit, je n'ai vraiment rien contre toi. Ce point de rigueur n'est pas forcément atteint quand on ne fait pas de CQ "pour de vrai".)