De diamanten in de oven

Een tijdje geleden luisterde ik naar het verhaal van een enthousiaste jonge spreekster die een succescoach had. En van die succescoach had ze een stuk bergkristal gekregen, met de boodschap dat een mens net is als dat stuk kristal: als je maar hard genoeg perst, word je een diamant.

Die coach had het goed bedoeld, maar ze was geen chemicus. Bergkristal (siliciumoxide, SiO2) wordt nooit diamant, net zoals lood niet in goud kan worden veranderd door er veel druk op te zetten. Maar wat ècht verbluffend is, is dat diamant wèl kan ontstaan uit een veel onwaarschijnlijkere stof dan zo'n hard wit stuk bergkristal; diamant kan namelijk ontstaan uit het zwarte, ondoorzichtige, zachte, vettige grafiet (hieronder afgebeeld). Dat is pas een wonderbaarlijke transformatie!

Het klinkt nogal ongeloofwaardig. Grafiet is zacht (een van de zachtste mineralen die er bestaat), zwart, vettig, het wordt gebruikt als smeermiddel en als kleurstof in je potlood. Diamant is keihard, de hardste stof die de mens kent, doorgaans wit, doorzichtig, helder, en het wordt gebruikt om door het hardste materiaal heen te boren. Diamant lijkt veel meer op een stuk steen zoals het kwarts van de coach dan op zo'n zwarte vettige viezige stof als grafiet.

Toch is een diamant van hetzelfde materiaal gemaakt als grafiet, namelijk koolstof. Er is zelfs een rijke chemicus geweest die om dat te bewijzen een aantal diamanten op een bakblik zette en in de oven schoof. Hij stookte de oven flink heet, en wat zag hij toen hij het bakblik eruit haalde? Als diamanten èchte stenen waren geweest had hij een serie roodgloeiende stenen gezien. Maar hij zag niets. De diamanten waren volledig verbrand tot CO2, in rook opgegaan.

Maar hoe kunnen twee stoffen die van hetzelfde materiaal zijn gemaakt (koolstof) zo enorm verschillen?

Grafiet en diamant zijn waarschijnlijk de spectaculairste en bekendste voorbeelden wat in de scheikunde “metamorfen” heten, een stof/element die verschillende verschijningsvormen kan hebben onder dezelfde omstandigheden. (Een ander voorbeeld is bijvoorbeeld de "tweeling" rode fosfor en witte fosfor). De atomen zijn precies hetzelfde, maar ze hebben zich anders met elkaar verbonden.

In grafiet vormen de koolstofatomen een vlak netwerk, een beetje zoals een visnet (zie afbeelding). Hoewel de atomen in elke laag sterk met de andere atomen in hun laag verbonden zijn, is er nauwelijks verbinding tussen de lagen. Een stuk grafiet lijkt dus op een stapel papier; je kunt het moeilijk doormidden slaan, maar als je eroverheen wrijft vliegen de papieren de kamer door. Diamant pakt het anders aan – hier is elk atoom niet verbonden met drie andere atomen in dezelfde laag, maar met vier atomen, boven en voor en linksachter en rechtsachter. Als je een atoom naar boven probeert te trekken wordt hij tegengehouden door de drie atomen onder hem waaraan hij verbonden is – probeer je het naar voren te trekken dan trekken de twee of drie atomen aan de achterkant terug. Naar links? Er zijn drie atomen rechts eraan verbonden die het atoom tegenhouden... Welke kant je ook optrekt, er zijn altijd twee of drie bindingen met andere atomen die losgetrokken moeten worden. En als biljarden atomen allemaal elkaar stevig vasthouden in alle richtingen dan heb je een ontzettend sterk netwerk.

koolstofatomen in grafiet (links) en diamant (rechts)

Nu lijkt het raar dat een stof twee vormen heeft. Is er dan niet zoiets als een "beste vorm" waarin stoffen voorkomen?

Wel, wat de “beste” vorm is hangt af van de omstandigheden. Bij heel hoge druk is diamant de “beste” vorm van koolstof, omdat hij het compactst is (dichtheid 3,52 g/cm^3), terwijl grafiet een dichtheid van rond de 2,15 gram per cm^3 heeft. Je kunt het vergelijken met een forensentrein. Als de trein nog redelijk rustig is gaat er één persoon per coupé zitten. Als de trein vol zit zitten er vier mensen per coupé, en ook nog mensen in het gangpad. Vinden die mensen het leuk om in het gangpad te staan? Nee! Maar ze moeten wel omdat het zo druk is. Zodra het minder druk in de trein is gaan de mensen zich weer verspreiden. En wat dat betreft zijn koolstofatomen net mensen.

In onze wereld, met onze miezerige luchtdruk, is grafiet de stabielste vorm van koolstof, de koolstofatomen kunnen relaxt loungen, zogezegd. Diamant is de verplichte vorm diep in de aardkorst bij een druk van duizenden atmosferen. Onder druk wordt grafiet zeker diamant.

Nu heb je misschien een idee om rijk te worden. Als je grafiet koopt (wat heel goedkoop is), en dat flink gaat persen, dan moet je diamanten krijgen toch? Zeker als je het flink verhit (elke chemische reactie, ook structuurverandering, gaat sneller bij hogere temperatuur). En dat kan inderdaad. Maar het is erg lastig. Je hebt heel hoge drukken nodig en heel hoge temperaturen, en dan nog zijn de diamanten die je eruit krijgt meestal klein en niet mooi. Tegenwoordig kunnen diamantmakers wel redelijke kunstmatige diamanten maken, maar het is moeilijk, en je hebt er veel kennis en erg goede apparatuur voor nodig. Niet iets dat je in je tuinschuurtje doet.

En er is nog een tweede addertje onder het gras met een metamorf als diamant. Zodra je diamanten boven de grond haalt, proberen de koolstofatomen zich een beetje te ontspannen. Ze gaan wat wiebelen, proberen de benen te strekken (figuurlijk uiteraard), en langzaam... heel langzaam vormt die schitterende diamant zich om tot een lelijk, goedkoop stuk grafiet. Leuk voor de koolstofatomen, niet leuk voor hun eigenaar. Gelukkig is de temperatuur hier zo laag dat de omzetting maar heel erg langzaam gaat. Je diamanten gaan dus heus wel een paar miljoen jaar mee. Maar uiteindelijk, als je ze lang genoeg met rust laat, worden al je dure diamanten doodordinaire stukjes grafiet. Maar elk nadeel heeft z'n voordeel: je kunt er dan wel veel beter mee schrijven.