11.19: Sólidos de Red Covalente

Los sólidos de red covalente contienen una red tridimensional de átomos covalentemente unidos como se encuentran en las estructuras cristalinas de los no metales como el diamante, el grafito, el silicio y algunos compuestos covalentes, como el dióxido de silicio (arena) y el carburo de silicio (carborundo, el abrasivo en papel de lija). Muchos minerales tienen redes de enlaces covalentes.

Para romper o fundir un sólido de red covalente, los enlaces covalentes deben romperse. Debido a que los enlaces covalentes son relativamente fuertes, los sólidos de red covalente se caracterizan típicamente por la dureza, la fuerza y los puntos de fusión altos. Por ejemplo, el diamante es una de las sustancias más duras conocidas y se derrite por encima de 3500 °C.

Diamante vs. Grafito

El carbono es un elemento esencial; el diamante y el grafito son los dos alotrópicos de carbono más comunes. Los alotrópicos son diferentes formas estructurales del mismo elemento. El diamante es una de las sustancias más duras conocidas, mientras que el grafito es lo suficientemente suave como para ser utilizado como mina de lápiz. Estas propiedades muy diferentes provienen de las diferentes disposiciones de los átomos de carbono en los diferentes alotrópicos.

El diamante es extremadamente duro debido a los fuertes enlaces entre los átomos de carbono en todas las direcciones. El grafito se compone de láminas planas de cristales covalentes que se mantienen unidas en capas por fuerzas no covalentes. A diferencia de los sólidos covalentes típicos, el grafito es muy suave y eléctricamente conductivo. El grafito (en mina de lápiz) roza con el papel debido a las débiles atracciones entre las capas de carbono.

Grafeno: El material del futuro

Una forma de carbono recientemente descubierta es el grafeno. El grafeno fue aislado por primera vez en 2004 usando cinta para desprender capas cada vez más delgadas del grafito. Es esencialmente una sola hoja (un átomo de espesor) de grafito. El grafeno no sólo es fuerte y ligero, sino que también es un excelente conductor de la electricidad y el calor. Estas propiedades pueden resultar muy útiles en una amplia gama de aplicaciones, tales como chips y circuitos de computadoras mejorados, mejores baterías y células solares, y materiales estructurales más fuertes y ligeros. El Premio Nobel de Física 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por su trabajo pionero con el grafeno.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección: 10.5 El estado sólido de la materia.

Los sólidos de red covalente son sólidos cristalinos que están formados por una vasta red tridimensional de átomos individuales unidos por fuertes enlaces covalentes. Ejemplos de sólidos de red covalente incluyen el diamante, que tiene una red continua de átomos de carbono, y el cuarzo, que tiene una red continua de átomos de silicio y oxígeno. Las fuerzas covalentes extremadamente fuertes entre los átomos hacen que estos sólidos sean duros con puntos de fusión muy altos.

Por ejemplo, en el diamante, cada átomo de carbono se hibrida sp³ y se conecta tetraédricamente a cuatro átomos de carbono vecinos mediante enlaces covalentes simples. Esta red fuertemente interconectada explica la dureza inusual del diamante y su punto de fusión muy alto. El diamante es un conductor eléctrico, ya que no hay electrones deslocalizados.

En el cuarzo, cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno, y cada átomo de oxígeno se comparte entre un par de átomos de silicio. El fuerte enlace covalente silicio-oxígeno da como resultado la dureza y el alto punto de fusión del cuarzo. El grafito es un sólido covalente de red inusual porque es blando y conduce la electricidad.

Como el diamante, el grafito es un alótropo del carbono, lo que significa que los dos materiales están compuestos por átomos de carbono en diferentes disposiciones tridimensionales. En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados. Dentro de cada capa, cada átomo de carbono tiene hibridación sp² y está unido covalentemente a tres átomos de carbono vecinos.

Los electrones no enlazantes están deslocalizados en toda la capa, lo que hace que el grafito sea un buen conductor eléctrico. Sin embargo, estas capas solo se mantienen unidas por fuerzas de dispersión débiles. En consecuencia, las capas pueden deslizarse unas sobre otras, haciendo que el grafito sea suave y escamoso.

Por eso se usa grafito en los lápices:las capas de carbón se transfieren fácilmente al papel.