En què es diferencien el diamant i el grafit?

Pot ser ja sabeu que el diamant i el grafit tenen la mateixa composició: ambdues són formes al·lotròpiques de carboni. Probablement també coneixeu les diferències obvies: el grafit s'usa per escriure i el diamant en joies. Però sabeu quines són les diferencies a nivell atòmic?

El grafit està format per una estructura laminar en la que els àtoms es distribueixen de forma hexagonal. Cada àtom de carboni està enllaçant amb 3 àtoms formant un triangle. Aquesta estructura fa que el material es puga dividir en làmines i, per això, és un bon material per a escriure. A més a més, la disposició dels orbitals atòmics del carboni en el grafit permet la mobilitat electrònica i, per tant, la conductivitat elèctrica.

Estructura laminar del grafit (font)

El diamant cristal·litza formant xarxes tridimensionals d'àtoms de carboni en un sistema cúbic. Cada àtom de carboni està enllaçant amb quatre àtoms que formen els vèrtexs d'un tetraedre. Aquesta és una estructura molt estable i fa que el diamant siga el mineral més dur que existeix en la naturalesa (nivell 10 a l'escala de Mohs). L'estabilitat també és patent en altres característiques ja que el diamant és insoluble, inert i no condueix electricitat.

Animació que mostra la xarxa cúbica del diamant (font)

Per què els àtoms s'enllacen (la regla de l'octet)

A l'univers tot tendeix a una mínima energia per tindre una major estabilitat. Sembla una mica contradictori que els àtoms "decideixen" acoblar-se entre si per formar molècules, ja que mantenir aquesta unió ha de suposar una mica d'esforç (energia). Açò vol dir que ha d'existir una certa estabilització quan dos àtoms s'enllacen.

Molècula d'aigua (font)

Històricament, científics tractaren d'explicar aquesta estabilització mitjançant interaccions electrostàtiques entre els protons i electrons dels àtoms implicats. Encara que aquesta interacció dóna crèdit a part d'aquesta energia d'estabilització, quan es realitzaven càlculs precisos, l'enllaç no sortia energèticament favorable. Al 1916, el fisicoquímic nord-americà Gilbert Newton Lewis va adonar-se de que els gasos nobles no formaven enllaços i que, quan els àtoms formen molècules, els electrons implicats (bé sigui per cessió, captura o compartició) es distribueixen en una configuració electrònica equivalent a la dels gasos nobles. Aquesta configuració conté huit electrons a la capa de valència, fent que els orbitals atòmics més externs estiguin plens quan l'àtom està en repòs i aconseguint una estabilitat addicional. Aquest fenomen es coneix amb el nom de la regla de l'octet i, conjuntament amb les interaccions electrostàtiques mencionades abans, expliquen la formació dels enllaços amb un balanç energètic favorable. 

Formació d'una molècula de NaF amb la visualització dels octets (font)

Propietats distintes, enllaços distints

Pot ser no es hageu parat a pensar-ho, però de segur que es haveu adonat de que no totes les substàncies són iguals o es comporten de la mateixa manera. Poden ser sòlides, líquides o gasoses, dures o blanes, solubles o no... Moltes d'aquestes característiques venen determinades pel tipus d'enllaç que existeix entre els àtoms que les componen.

Les substàncies que comunament es coneixen com a metalls estan formades mitjançant enllaç metàl·lic. Si penseu en metalls (ferro, coure, or, plata...) tots comparteixen trets que son propis d'aquests materials: son durs i resistents (no es trenquen amb facilitat), es pot canviar la seva forma mitjançant força física (son dúctils) i condueixen tant l'electricitat com el calor. Totes aquestes característiques tenen explicació a nivell atòmic i que veurem en altes entrades de bitàcola.

Coure (font)

L'enllaç iònic està representat per les substàncies que coneixem com sals (no únicament la que utilitzem en la cuina, sinó també les anomenades sals minerals). També aquest grup comparteix una mateixa descripció: son substàncies cristal·lines, molt dures però fràgils, amb elevat punt de fusió, solubles en aigua i altres dissolvents polars i condueixen l'electricitat quan estan dissoltes o en estat líquid. Com en el cas anterior, aquestes característiques poden explicar-se per la seva naturalesa iònica. 

Sal de roca (font)

Les substàncies amb enllaços covalents son molt més variades ja que poden formar-se molècules molt més grans i complexes. Si tenim en compte els compostos amb pocs àtoms per molècula, tots tenen baix punt de fusió (la majoria son gasos a temperatura ambient) i no solubles en aigua. Existeixen les substàncies covalents no moleculars, formades per xarxes contínues d'enllaços (diamant, silicats...) que poden parèixer sals, però que no son solubles en cap dissolvent, son més dures i mai condueixen l'electricitat.

Diamant (font)

Veurem en altres publicacions explicacions d'algunes d'aquestes característiques, com i per què es relacionen amb el tipus d'enllaç.