Las diferencias impuestas por el orden

Un diamante es para siempre. Alguna vez seguro que habremos oído esta frase. Sin embargo, resulta completamente errónea desde un punto de vista científico. Nos puede sorprender, pero los diamantes, en su composición, son exactamente idénticos que una barra de grafito de las que encontramos en la mina de un lápiz. Tanto el diamante como la mina de grafito son carbono puro. Si tuviésemos un microscopio capaz de ver los átomos del diamante o del grafito encontraríamos que en ambos casos solamente hay átomos de carbono. Resulta por lo tanto sorprendente que dos materiales a los que asignamos un valor tan diferente, sin embargo, estén formado por el mismo elemento químico. Pero volviendo a nuestro microscopio capaz de ver los átomos, alguien observador comprobaría que estos átomos no se disponen de la misma forma.

En el caso del diamante, cada átomo de carbono se rodea de otros cuatro, formando una figura geométrica llamada tetraedro, un ordenamiento que se repite en todas las direcciones del espacio. 

Átomo de carbono central rodeado de otros cuatro
dando lugar a la formación del tetraedro.

Por su parte, en el grafito, cada átomo de carbono se rodea solamente de otros tres átomos en un mismo plano. Esta es una distribución que recuerda a la de un panal de abejas. El grafito está formado por un gran número de estas láminas, que están unidas entre sí por medio de fuerzas intermoleculares de Van der Waals, que son bastante débiles.

Representación superior de una lámina de grafito
(Observar que cada átomo de carbono se rodea en el plano de otros tres).

La distinta disposición espacial de los átomos de carbono tiene consecuencias muy importantes en las propiedades de cada uno de los materiales. Mientras que el diamante es el mineral más duro (número más elevado en la escala de Mohs), es transparente y es un aislante eléctrico. Por el contrario, el grafito es un material relativamente blando, opaco, de color negro y conductor eléctrico en cada una de las bandas de átomos de carbono. Una propiedad muy importante que presenta el grafito como consecuencia de su estructura es que las láminas de átomos de carbono se pueden exfoliar, es decir, deslizar una encima de la otra, ya que las fuerzas que las mantienen unidas no son muy fuertes. Precisamente ésta es la propiedad que se aprovecha en un lápiz. Cuando escribimos, la rugosidad del papel y la presión ejercida es suficiente como para que finas capas de la punta de la mina de grafito se depositen sobre el papel.

La siguiente pregunta que nos podemos realizar es si tanto el grafito como el diamante son igual de estables termodinámicamente. La respuesta es que no y podemos sorprendernos, porque en condiciones de presión y temperatura normales la forma más estable es el grafito. El diamante sólo se forma en condiciones de altas presiones y temperaturas. Por ello, podemos decir que un diamante no es para siempre. Termodinámicamente, la transformación de los diamantes en grafito es un proceso favorecido. Sin embargo, éste es un proceso que transcurre muy lentamente al requerirse un cambio estructural muy acusado como se puede ver en el siguiente vídeo (pasar de la estructura plana del grafito a otra tridimensional en el diamante).

Por ello se dice que el grafito y el diamante son dos formas polimórficas del carbono, es decir, formas en las que se puede presentar un elemento o compuesto que tienen la misma composición química pero distinta estructura.

De este modo hemos podido introducirnos en uno de los puntos más importantes que la cristalografía permite estudiar: justificar que los materiales tienen diferentes propiedades como consecuencia de su diferente estructura.