Explicar por que as duas formas alotrópicas do carbono Diamante e grafito tem durezas diferentes.

Passo 1

O que o enunciado pede: explicar por que as duas formas alotrópicas do carbono — diamante e grafite — têm durezas diferentes.
Informações dadas (implícitas no enunciado): as duas substâncias são feitas do mesmo elemento, \text{C}, mas são formas alotrópicas (estruturas diferentes). Não há outros dados numéricos no enunciado.

Passo 2

Conceito-chave: o que é “dureza”.
Dureza é, de forma prática, a resistência de um material a deformação permanente (risco, corte, indentation). Em provas costuma-se falar qualitativamente: materiais com ligações fortes e rede extensa em 3D resistem mais à deformação; materiais com planos que deslizam fácil são macios. Guarda isso: dureza ≈ resistência ao cisalhamento/deslocamento entre átomos ou camadas.

Passo 3

Conceito importante: tipos de ligação e como isso influencia propriedades mecânicas.
  • Ligação covalente forte: elétrons compartilhados entre átomos; muito resistente à separação local.
  • Ligações intermoleculares fracas (por exemplo, forças de Van der Waals): mantêm elementos juntos, mas permitem deslizamento relativo com pouco esforço.
    Para responder a questão precisamos ver que tipo de ligações e como elas estão arranjadas em cada alotropo.

Passo 4

Explicando a hibridização e geometria dos átomos de carbono (isso é usado para entender quantas e como as ligações aparecem):
  • Hibridização \text{sp}^3: o carbono une seus orbitais formando quatro orbitais equivalentes dirigidos aos vértices de um tetraedro; cada átomo faz \text{4} ligações sigma fortes. A geometria tem ângulo aproximado de 109{,}5^\circ.
  • Hibridização \text{sp}^2: o carbono usa três orbitais híbridos no mesmo plano, fazendo \text{3} ligações sigma em disposição trigonal planar (ângulo 120^\circ); sobra um orbital p que forma ligações \pi e pode gerar elétrons deslocalizados.

Passo 5

Estrutura do diamante (ligações e rede).
  • Cada átomo de \text{C} no diamante é \text{sp}^3 hibridizado e liga-se covalentemente a \text{4} vizinhos formando uma rede tetraédrica tridimensional infinita.
  • Assim, há ligações covalentes fortes em todas as direções do cristal — uma rede tridimensional contínua de ligações sigma.
  • Consequência: para deformar ou riscar o diamante é preciso romper muitas ligações covalentes muito fortes simultaneamente, exigindo muita energia.

Passo 6

Estrutura do grafite (ligações e rede).
  • No grafite, cada átomo de \text{C} é \text{sp}^2 hibridizado e faz \text{3} ligações sigma com vizinhos no mesmo plano, formando hexágonos planos (folhas).
  • O quarto elétron de cada carbono ocupa um orbital p perpendicular ao plano e participa de ligações \pi deslocalizadas ao longo da folha, o que dá boa coesão e condutividade elétrica dentro da folha.
  • As folhas (planos) são empilhadas e entre elas atuam forças de Van der Waals (interações fracas). Essas forças permitem que as camadas deslizem umas sobre as outras com muito pouca energia.

Passo 7

Comparação direta e conclusão física sobre dureza.
  • Diamante: rede covalente 3D, ligações fortes em todas as direções → alta resistência ao cisalhamento e à deformação → muito duro.
  • Grafite: fortes ligações dentro das folhas (plano 2D), mas fracas forças intercamadas entre folhas → fácil deslizamento das camadas → macio (ou, melhor dizendo, anisotrópico: muito resistente dentro do plano, mas fraco para cisalhamento entre planos).
    Portanto, apesar de ambos serem carbono, a diferença no tipo de hibridização e na conectividade das ligações determina a dureza muito distinta.

Passo 8

Dados práticos que ajudam a fixar (use em prova para ilustrar):
  • Na escala de Mohs, o diamante tem dureza \,10 (o mais duro natural), enquanto o grafite aparece com dureza aproximadamente \,1 a \,2.
  • Em termos qualitativos para responder em prova: cite “ \text{sp}^3 — rede 3D covalente → muito duro” versus “ \text{sp}^2 — folhas 2D com Van der Waals entre elas → deslizam → macio”.

Passo 9

Dica de resposta curta e eficiente para a prova (como escrever em poucas linhas): explique a diferença apontando (i) o tipo de hibridização ( \text{sp}^3 vs \text{sp}^2), (ii) a conectividade (rede 3D vs folhas 2D), e (iii) a presença de ligações fracas entre camadas no grafite que permite deslizamento — e daí vem a diferença de dureza.

Resposta

O diamante é muito mais duro que o grafite porque no diamante cada átomo de \text{C} é \text{sp}^3 e forma uma rede covalente tridimensional onde há ligações fortes em todas as direções, enquanto no grafite os átomos são \text{sp}^2, formam folhas hexagonais com ligações fortes apenas no plano e as folhas são presas entre si por fracas forças de Van der Waals que permitem deslizamento fácil entre camadas.

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