¿Cuáles son las limitaciones de las celosías covalentes y metálicas?

A nivel atómico, los sólidos tienen tres estructuras básicas. Las moléculas de vidrios y arcillas están muy desordenadas sin estructura o patrón repetitivo en su disposición: estos se denominan sólidos amorfos. Los metales, aleaciones y sales existen como rejillas, al igual que algunos tipos de compuestos no metálicos, incluidos los óxidos de silicio y las formas de carbono de grafito y diamante. Las celosías comprenden unidades repetidas, la más pequeña de las cuales se llama celda unitaria. La celda unitaria lleva toda la información necesaria para construir una macroestructura de celosía de cualquier tamaño dado.

Todas las redes se caracterizan por estar muy ordenadas, con sus átomos o iones constituyentes mantenidos en su lugar a intervalos regulares. La unión en las redes metálicas es electrostática, mientras que la unión en óxidos de silicio, grafito y diamante es covalente. En todos los tipos de celosía, las partículas constituyentes están dispuestas en la configuración energéticamente más favorable.

Los metales existen como iones positivos en un mar o nube de electrones deslocalizados. El cobre, por ejemplo, existe como iones de cobre (II) en un mar de electrones, y cada átomo de cobre ha donado dos electrones a este mar. Es la energía electrostática entre los iones metálicos y los electrones la que le da a la red su orden y sin esta energía el sólido sería un vapor. La fuerza de una red metálica se define por su energía de red, que es el cambio de energía cuando se forma un mol de una red sólida a partir de sus átomos constituyentes. Los enlaces metálicos son muy fuertes, por lo que los metales tienden a tener altas temperaturas de fusión, siendo la fusión el punto en el que se rompe la red sólida.

Dióxido de silicio, o sílice, es un ejemplo de una red covalente. El silicio es tetravalente, lo que significa que formará cuatro enlaces covalentes; en la sílice, cada uno de estos enlaces es a un oxígeno. El enlace silicio-oxígeno es muy fuerte y esto hace que la sílice sea una estructura muy estable con un alto punto de fusión. Es el mar de electrones libres en los metales lo que los convierte en buenos conductores eléctricos y térmicos. No hay electrones libres en las sílices u otras redes covalentes, por lo que son malos conductores de calor o electricidad. Cualquier sustancia que sea un mal conductor se llama aislante.

El carbono es un ejemplo de una sustancia que tiene diferentes estructuras covalentes. El carbono amorfo, como el que se encuentra en el hollín o el carbón, no tiene una estructura repetitiva. El grafito, utilizado en las minas de los lápices y la producción de fibra de carbono, de forma mucho más ordenada. El grafito comprende capas de átomos de carbono hexagonales de espesor de una capa. El diamante está aún más ordenado, y comprende enlaces de carbono para formar una red tetraédrica rígida e increíblemente fuerte. Los diamantes se forman bajo presión y calor extremos y el diamante es la sustancia natural más dura conocida. Sin embargo, químicamente, el diamante y el hollín son idénticos. Las diferentes estructuras de elementos o compuestos se denominan alótropos.