Quais são as limitações das redes covalentes e metálicas?

No nível atômico, os sólidos têm três estruturas básicas. As moléculas de vidros e argilas são muito desordenadas, sem estrutura ou padrão repetitivo em seu arranjo: são chamados de sólidos amorfos. Metais, ligas e sais existem como redes, assim como alguns tipos de compostos não metálicos, incluindo óxidos de silício e as formas de grafite e diamante de carbono. As reticulados compreendem unidades repetidas, a menor das quais é chamada de célula unitária. A célula unitária carrega todas as informações necessárias para construir uma macroestrutura de rede de qualquer tamanho.

Todas as redes são caracterizadas por serem altamente ordenadas, com seus átomos ou íons constituintes mantidos no lugar em intervalos regulares. A ligação em redes metálicas é eletrostática, enquanto a ligação em óxidos de silício, grafite e diamante é covalente. Em todos os tipos de rede, as partículas constituintes são organizadas na configuração mais favorável do ponto de vista energético.

Os metais existem como íons positivos em um mar ou nuvem de elétrons deslocalizados. O cobre, por exemplo, existe como íons cobre (II) em um mar de elétrons, com cada átomo de cobre tendo doado dois elétrons para este mar. É a energia eletrostática entre os íons metálicos e os elétrons que dá à rede sua ordem e sem essa energia o sólido seria um vapor. A força de uma rede metálica é definida por sua energia de rede, que é a mudança na energia quando um mol de uma rede sólida é formado a partir de seus átomos constituintes. As ligações metálicas são muito fortes, razão pela qual os metais tendem a ter altas temperaturas de fusão, sendo a fusão o ponto em que a estrutura sólida se quebra.

Dióxido de silício, ou sílica, é um exemplo de uma rede covalente. O silício é tetravalente, o que significa que formará quatro ligações covalentes; na sílica, cada uma dessas ligações está para um oxigênio. A ligação silício-oxigênio é muito forte e isso torna a sílica uma estrutura muito estável com um alto ponto de fusão. É o mar de elétrons livres em metais que os tornam bons condutores elétricos e térmicos. Não há elétrons livres nas sílicas ou outras redes covalentes, e é por isso que são maus condutores de calor ou eletricidade. Qualquer substância que seja um mau condutor é chamada de isolante.

O carbono é um exemplo de substância que possui diferentes estruturas covalentes. O carbono amorfo, como encontrado na fuligem ou no carvão, não tem estrutura repetida. O grafite, usado nas grafias de lápis e na produção de fibra de carbono, é muito mais ordenado. O grafite compreende camadas de átomos de carbono hexagonais com espessura de uma camada. O diamante é ainda mais ordenado, compreendendo ligações de carbonos para formar uma estrutura tetraédrica rígida e incrivelmente forte. Os diamantes são formados sob pressão e calor extremos e o diamante é a mais dura de todas as substâncias naturais conhecidas. Quimicamente, porém, diamante e fuligem são idênticos. As diferentes estruturas de elementos ou compostos são chamadas de alótropos.