Diamante

Estrutura cristalina e constituição

Uma característica fundamental do diamante é a sua organização espacial. Os átomos de carbono encontram-se no estado de hibridização $sp^3$, o que determina o ambiente tetraédrico de cada átomo. A distância entre átomos vizinhos (comprimento da ligação $C-C$) é estritamente fixa e igual a $154 \text{ pm}$.

A célula unitária do cristal tem forma cúbica com comprimento de aresta ($a$) de $356,7 \text{ pm}$. Os átomos dentro da rede estão distribuídos da seguinte forma:

• Ocupam todos os vértices do cubo.
• Localizam-se nos centros de cada uma das faces.
• Quatro átomos estão inseridos no interior da célula (ocupam os centros de quatro dos oito pequenos cubos possíveis, organizando-se de forma alternada).

Composição química e descoberta

Durante muito tempo, a natureza deste mineral permaneceu um mistério, até que em 1796 o químico S. Tennant realizou um experimento fundamental. A essência do experimento consistia na queima controlada da gema.

Verificou-se que a queima do diamante produz dióxido de carbono ($CO_2$). A principal descoberta foi que o volume de gás liberado coincidia absolutamente com a quantidade de $CO_2$ obtida pela queima exatamente da mesma massa de grafita comum. Isso permitiu tirar uma conclusão inequívoca: a estrutura do mineral consiste exclusivamente de átomos de carbono, sem quaisquer impurezas de outros elementos.

Propriedades físicas e método de reconhecimento

Visualmente, o mineral consiste em cristais transparentes (frequentemente de forma octaédrica ou cúbica), caracterizados por refração da luz muito forte. Na joalheria, os exemplares lapidados são chamados de brilhantes. Entre todas as substâncias conhecidas pela ciência, o diamante possui a maior dureza, e sua densidade é de $3,513 \text{ g/cm}^3$.

Na prática, é importante saber distinguir amostras naturais de imitações artificiais de vidro. Para isso, utiliza-se um teste químico específico com o uso de uma solução aquosa concentrada de um sal complexo — tetrayodomercurato(II) de potássio ($K_2[HgI_4]$). Devido à diferença substancial nas densidades dos materiais, as imitações de vidro sempre permanecem na superfície do líquido, enquanto o verdadeiro cristal de carbono afunda.

Termodinâmica e transições de fase

Do ponto de vista termodinâmico, sob condições padrão, a grafita é uma forma de carbono mais estável do que o diamante. Teoricamente, a transição espontânea do cristal transparente em grafita é sempre possível, mas à temperatura normal este processo é cineticamente retardado (a velocidade é praticamente zero). A situação muda com o aquecimento forte: a uma temperatura de $2000^\circ C$, o processo de grafitização ocorre muito rapidamente.

Também é possível o processo inverso — a síntese artificial. Para converter o carbono em estrutura de diamante, é necessária uma pressão colossal, superior a $2 \cdot 10^6 \text{ kPa}$. Atualmente, a produção em massa de diamantes técnicos é realizada por essa tecnologia. Em comparação, a transição do carvão para a grafita requer pressões de apenas centenas de atmosferas.

Propriedades químicas

Sendo bastante inerte à temperatura ambiente, o material começa a manifestar reatividade sob condições severas. Principais reações químicas:

1. Oxidação pelo oxigênio: Ao ar livre, a substância oxida-se ativamente e queima completamente ao atingir a temperatura de $900^\circ C$.
2. Interação com fundidos: A rede cristalina é efetivamente destruída por fortes oxidantes — nitratos ou carbonatos de metais alcalinos fundidos.

Equações das reações de oxidação em fundidos:

• Com carbonato de sódio (com liberação de monóxido de carbono):

$$C + Na_2CO_3 = Na_2O + 2CO$$

• Com nitrato de sódio (com formação de dióxido de carbono):

$$C + 2NaNO_3 = CO_2 + 2NaNO_2$$

Lugar entre outras modificações do carbono

Além do diamante e da grafita, o carbono forma outras formas. O carbino consiste em moléculas lineares com átomos no estado de hibridização $sp$ (sua síntese foi prevista com base na teoria dos estados híbridos). Os fulerenos representam poliedros complexos, e nos nanotubos os átomos estão ordenados ao longo da superfície de um cilindro.

É interessante notar que o carbono livre (na forma de fuligem) pode ser reduzido a partir do dióxido de carbono por meio de metais ativos. Por exemplo, a queima de magnésio em uma atmosfera de $CO_2$ é acompanhada pela formação de fumaça preta de acordo com a reação: $$2Mg + CO_2 = 2MgO + C$$

Questões de aulas e exames

O que mais estudar sobre o tema

• Outras modificações alotrópicas do carbono: carbino, fulerenos, nanotubos
• Termodinâmica das transições de fase do carbono e controle cinético das reações
• Tecnologias industriais para a síntese de diamantes técnicos sob pressões ultra-altas
• Redução do carbono a partir do dióxido de carbono por metais ativos

Outros tópicos da seção "Capítulo 12. Elementos do Grupo IVA"

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