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, , mas são formas alotrópicas (estruturas diferentes). Não há outros dados numéricos no enunciado.
Informações dadas (implícitas no enunciado): as duas substâncias são feitas do mesmo elemento,
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.
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
: o carbono une seus orbitais formando quatro orbitais equivalentes dirigidos aos vértices de um tetraedro; cada átomo faz ligações sigma fortes. A geometria tem ângulo aproximado de . - Hibridização
: o carbono usa três orbitais híbridos no mesmo plano, fazendo ligações sigma em disposição trigonal planar (ângulo ); sobra um orbital que forma ligações e pode gerar elétrons deslocalizados.
Passo 5
Estrutura do diamante (ligações e rede).
- Cada átomo de
no diamante é hibridizado e liga-se covalentemente a 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
é hibridizado e faz ligações sigma com vizinhos no mesmo plano, formando hexágonos planos (folhas). - O quarto elétron de cada carbono ocupa um orbital
perpendicular ao plano e participa de ligações 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
(o mais duro natural), enquanto o grafite aparece com dureza aproximadamente a . - Em termos qualitativos para responder em prova: cite “
— rede 3D covalente → muito duro” versus “ — 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 (
vs
), (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
é
e forma uma rede covalente tridimensional onde há ligações fortes em todas as direções, enquanto no grafite os átomos são
, 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.