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Física y Química 3.º ESO · El enlace covalente: sustancias moleculares y redes

Ampliación: redes covalentes. Diamante y grafito

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar qué es una red covalente y comparar el diamante y el grafito, dos formas (alótropos) del carbono con propiedades muy distintas, relacionando su estructura con su dureza, su conductividad y sus usos.

Explicación

No todas las sustancias covalentes forman moléculas

En las sustancias moleculares los átomos forman grupos pequeños (moléculas) y entre una molécula y otra solo hay fuerzas débiles. Pero en algunas sustancias todos los átomos están unidos entre sí por enlaces covalentes, formando una estructura gigante que se repite en las tres direcciones: una red covalente (o cristal covalente).

Como para romperla hay que romper muchísimos enlaces covalentes, que son fuertes, las redes covalentes:

son muy duras;
tienen temperaturas de fusión altísimas (por encima de 1500 °C);
son insolubles en agua y en otros disolventes;
en general no conducen la electricidad (el grafito es la excepción).

Diamante y grafito: dos formas del carbono

El diamante y el grafito están formados solo por átomos de carbono. Son alótropos: formas distintas de un mismo elemento, con los átomos unidos de manera diferente.

	Diamante	Grafito
Enlaces de cada C	4 enlaces covalentes con otros 4 C, en una red en las tres direcciones	3 enlaces covalentes con otros 3 C, formando capas de hexágonos
Electrones libres	No: los 4 electrones de valencia están en enlaces	Sí: a cada C le queda 1 electrón que se mueve por la capa
Dureza	El material natural más duro (10 en la escala de Mohs)	Muy blando (1–2 en la escala de Mohs): las capas se deslizan
Electricidad	No conduce	Conduce
Aspecto	Transparente y brillante	Negro, gris, untuoso al tacto
Usos	Joyería, brocas y discos para cortar piedra o vidrio	Minas de lápiz, lubricantes, electrodos

Ambos aguantan temperaturas altísimas: a presión normal no se funden, y por encima de unos 3500 °C se descomponen o pasan a gas (dato aproximado).

Otras redes covalentes

Grafeno: una sola capa de grafito, de un átomo de grosor. Es muy resistente, flexible y buen conductor. Su descubrimiento se premió con el Nobel de Física en 2010.
Sílice ( $\text{SiO}_2$ ): forma el cuarzo y la mayor parte de la arena. Cada Si está unido a 4 O y cada O a 2 Si, en una red. Funde a unos 1700 °C. Su fórmula no indica una molécula, sino la proporción de átomos: hay el doble de O que de Si.

Puntos clave

En una red covalente todos los átomos están unidos por enlaces covalentes: no hay moléculas sueltas.
Las redes covalentes son muy duras, funden a temperaturas altísimas y son insolubles.
Diamante y grafito son alótropos del carbono: el mismo elemento con estructuras distintas.
Diamante: cada C con 4 enlaces en tres dimensiones → durísimo y no conduce.
Grafito: cada C con 3 enlaces en capas y 1 electrón libre → blando, las capas se deslizan y conduce.
En la sílice ( $\text{SiO}_2$ ) la fórmula indica la proporción de átomos, no una molécula.

Errores frecuentes

ErrorPensar que todas las sustancias covalentes tienen temperaturas de fusión bajas.
Cómo corregirloEso pasa en las moleculares, donde al fundir solo se separan moléculas. En una red covalente hay que romper enlaces covalentes: funden a temperaturas altísimas.
ErrorCreer que el diamante y el grafito son sustancias distintas porque tienen elementos distintos.
Cómo corregirloLos dos son solo carbono. Lo que cambia es cómo están unidos los átomos (4 enlaces en 3D o 3 enlaces en capas).
ErrorDecir que el grafito conduce porque «es un metal».
Cómo corregirloEl carbono es un no metal. El grafito conduce porque a cada átomo le queda un electrón sin usar en enlaces que puede moverse a lo largo de las capas.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. La mina del lápiz y la broca de diamante situación real (estructura y usos)
En una tienda de bricolaje de Madrid venden discos de corte con polvo de diamante para cortar azulejos. En la papelería de al lado, lápices cuya mina es una mezcla de grafito y arcilla. Si los dos materiales son carbono, ¿por qué uno sirve para cortar piedra y el otro deja marca en el papel solo con rozarlo?

Resolución
Diamante: cada átomo de carbono está unido a otros 4 por enlaces covalentes, en las tres direcciones del espacio. Para rayarlo habría que romper enlaces covalentes en todas direcciones: es el material natural más duro (10 en la escala de Mohs). Por eso el polvo de diamante raya y corta azulejos y piedra.

Grafito: cada carbono está unido a solo 3, formando capas planas de hexágonos. Dentro de cada capa los enlaces son fuertes, pero entre capas las uniones son débiles. Al rozar el papel, las capas se deslizan y se quedan pegadas a él: es la marca del lápiz.

Mismo elemento, distinta estructura → propiedades muy distintas. Diamante y grafito son alótropos del carbono.
Ejemplo 2. ¿Conduce la mina de un lápiz? experimental
Montamos un circuito con una pila de 9 V, un LED y dos cables con pinzas. Cerramos el circuito primero con la mina de un lápiz (un trozo de 3–4 cm sin madera, o un portaminas de mina gruesa) y después con un trozo de cuarzo. ¿Qué ocurre en cada caso? ¿Por qué?

Resolución
Mina de grafito: el LED se enciende (más o menos según la longitud y la dureza de la mina). En el grafito cada carbono usa 3 de sus 4 electrones de valencia en enlaces; el cuarto queda libre y puede moverse a lo largo de las capas, transportando la corriente.

Cuarzo ( $\text{SiO}_2$ , red covalente): el LED no se enciende. Todos los electrones de valencia están en enlaces covalentes y no hay partículas con carga que puedan moverse.

Conclusión: el grafito es una excepción entre las redes covalentes: es la única de las que vemos que conduce la electricidad.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Indica si cada propiedad corresponde al diamante, al grafito o a los dos: a) Está formado solo por átomos de carbono. b) Conduce la electricidad. c) Es el material natural más duro. d) Sus átomos forman capas que se deslizan. e) Es una red covalente. f) Cada átomo de carbono forma 4 enlaces covalentes.

Ver solución
a) Los dos. b) Grafito. c) Diamante. d) Grafito. e) Los dos. f) Diamante.
a) Los dos: son alótropos del carbono. b) Grafito (le queda un electrón libre por átomo). c) Diamante. d) Grafito. e) Los dos: en ambos todos los átomos están unidos por enlaces covalentes. f) Diamante (en el grafito, cada C forma 3).
2. Media
El grafito en polvo se usa como lubricante en cerraduras que se atascan, y también para fabricar electrodos de pilas. Explica qué propiedad del grafito se aprovecha en cada uso y a qué se debe según su estructura.
Ver solución
Lubricante: sus capas se deslizan (uniones débiles entre capas). Electrodos: conduce la electricidad (un electrón libre por átomo de carbono).
- Lubricante: el grafito está formado por capas de átomos de carbono; dentro de cada capa los enlaces son fuertes, pero entre capas las uniones son débiles, así que las capas se deslizan unas sobre otras y reducen el rozamiento.
- Electrodos: cada carbono forma solo 3 enlaces y le queda 1 electrón libre que se mueve por la capa: el grafito conduce la electricidad.
3. Difícil
El dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ) y la sílice ( $\text{SiO}_2$ ) tienen fórmulas parecidas, y el C y el Si están en el mismo grupo. Sin embargo, el $\text{CO}_2$ es un gas a temperatura ambiente (sublima a unos −78 °C) y la sílice es el cuarzo de la arena, un sólido muy duro que funde a unos 1700 °C. a) ¿Qué tipo de sustancia es cada una? b) Explica la diferencia de temperaturas. c) ¿Qué indica la fórmula en cada caso?

Ver solución
a) CO₂: molecular; SiO₂: red covalente. b) En el CO₂ solo hay que separar moléculas (fuerzas débiles); en la sílice hay que romper enlaces covalentes. c) CO₂: los átomos de una molécula; SiO₂: la proporción 1 Si : 2 O.
a) El $\text{CO}_2$ es una sustancia molecular (moléculas $\text{O}=\text{C}=\text{O}$ sueltas). La sílice es una red covalente: cada Si unido a 4 O y cada O a 2 Si, sin moléculas sueltas. b) Para pasar el $\text{CO}_2$ a gas solo hay que separar unas moléculas de otras, venciendo fuerzas débiles: basta con −78 °C. Para fundir la sílice hay que romper enlaces covalentes de toda la red, que son fuertes: hacen falta unos 1700 °C. c) En el $\text{CO}_2$ la fórmula indica los átomos de una molécula (1 C y 2 O). En la sílice indica la proporción de átomos en la red: hay el doble de átomos de O que de Si.

Para practicar más

1. Fácil
a) ¿Qué son los alótropos? b) Nombra tres alótropos del carbono. c) ¿Por qué tienen propiedades tan distintas si están hechos del mismo elemento?

Ver solución
a) Formas distintas de un mismo elemento. b) Diamante, grafito y grafeno. c) Porque sus átomos están unidos de forma diferente.
a) Los alótropos son formas distintas en que se presenta un mismo elemento, con sus átomos unidos de manera diferente. b) Diamante, grafito y grafeno. c) Porque su estructura es distinta: en el diamante cada C forma 4 enlaces en las tres direcciones; en el grafito, 3 enlaces en capas que se deslizan, con un electrón libre por átomo; el grafeno es una sola de esas capas. La estructura decide la dureza, la conductividad, el aspecto…
2. Media
El carbono tiene 4 electrones de valencia. Explica, a partir de cuántos de ellos usa en enlaces, por qué el diamante no conduce la electricidad y el grafito sí.
Ver solución
En el diamante usa los 4 en enlaces y no quedan electrones libres; en el grafito usa 3 y el cuarto queda libre para moverse.
- Diamante: cada C forma 4 enlaces covalentes, uno con cada uno de sus 4 electrones de valencia. Todos los electrones están fijos en enlaces: no hay cargas libres → no conduce.
- Grafito: cada C forma 3 enlaces; el cuarto electrón queda libre y puede desplazarse a lo largo de la capa → conduce la electricidad.
3. Media
Un compañero dice: «Las sustancias covalentes funden a temperaturas bajas, así que el diamante debe fundirse en un horno de cocina». Explica su error y di en qué se diferencian una sustancia molecular (como el azúcar) y una red covalente (como el diamante) al calentarlas.
Ver solución
Solo las moleculares funden a temperaturas bajas. El diamante es una red covalente: para fundirlo habría que romper enlaces covalentes y aguanta más de unos 3500 °C.
El error es generalizar: solo las sustancias moleculares tienen temperaturas de fusión bajas.
- Azúcar (molecular): al calentarlo solo se separan unas moléculas de otras, que están unidas por fuerzas débiles → funde hacia unos 186 °C.
- Diamante (red covalente): no hay moléculas; para fundirlo habría que romper enlaces covalentes de toda la red → aguanta temperaturas de más de unos 3500 °C. Un horno de cocina (unos 250 °C) no le hace nada.