¿Por qué la luz puede pasar a través del diamante pero no a través del grafito a pesar del hecho de que ambos están hechos de carbono? ¿Qué hace que la materia sea transparente? ¿Depende de la estructura cristalina?

Para Diamond y Graphite la respuesta es simple: diferente movilidad de electrones.

El grafito es altamente conductor y todos los conductores absorben y reflejan fotones de rango visible debido a las propiedades fundamentales de los conductores: la movilidad de los electrones. Dado que los electrones en los conductores son, por definición, móviles, su excitación no está en un nivel atómico sino en un nivel reticular siguiendo los principios de las excitaciones colectivas llamadas “plasmón” (Plasmon de superficie).

(wikipedia)

Entonces, una onda electromagnética (como la luz visible) que golpea un conductor eléctrico excita un plasmón superficial que es una oscilación de carga, debido al desplazamiento de los electrones de los conductores, correspondiente a la oscilación del campo eléctrico proveniente de la onda. Finalmente, la onda se refleja y es por eso que la mayoría de los conductores metálicos son espejos.

Los diamantes tienen una estructura cristalina diferente , los átomos están más separados y, por lo tanto, la movilidad de los electrones se reduce determinando que los diamantes son dieléctricos.
La onda electromagnética (luz visible) que entra en el dieléctrico no genera ninguna respuesta colectiva. Esto determina que solo los fotones con la energía correcta (longitud de onda, en otras palabras, color) para excitar excitaciones moleculares o atómicas de un solo electrón pueden ser absorbidos. El espectro atómico del carbono está casi fuera del rango visible (tiene solo una banda de luz en la región azul-violeta) y el espectro molecular del diamante está muy por debajo en la región infrarroja.
Entonces, toda la luz visible que entra en un diamante lo atraviesa por completo, a excepción de unos pocos fotones azules y los que entran dentro de las impurezas dando los reflejos de color característicos (responsables del tipo Diamante, que finalmente demuestran que es de origen natural). )

Las diferentes formas de carbono son un gran ejemplo de cómo los electrones y, en particular, la unión de electrones gobierna la absorción en los materiales.

Primero, demos un paso atrás y consideremos un átomo simple. Un átomo absorbe un fotón si la energía del fotón coincide con la de una transición permitida para un estado cuántico excitado dentro del átomo. Si el fotón no coincide con dicha transición, no se absorbe. Es por eso que los espectros de absorción atómica consisten en líneas estrechas que en realidad se pueden usar como una especie de huella digital para identificar un átomo.

A continuación, debemos considerar qué electrones en un átomo realmente tienen lugar al absorber un fotón. De hecho, todos los electrones son capaces de absorber un fotón si la energía coincide con una transición permitida dentro del átomo. Sin embargo, en la práctica solo los electrones externos (unidos más libremente) pueden excitarse utilizando la luz de las frecuencias ópticas. Para el carbono, que tiene seis electrones, dos están fuertemente unidos y los cuatro restantes son más o menos libres de absorber la luz. Estos se llaman electrones de valencia, de acuerdo con el modelo de capa de los elementos.

El hecho de que el carbono tenga cuatro electrones de valencia significa que puede formar cuatro enlaces químicos. Esta es una de las razones por las que el carbono es una especie de átomo de lego que forma la columna vertebral de todo el campo de la química orgánica. El carbono es simplemente un átomo extremadamente versátil, ya que puede formar una amplia gama de enlaces químicos.

En forma sólida, el carbono tiene diferentes estructuras cristalinas posibles. En particular en el diamante, cada átomo de carbono está rodeado por cuatro vecinos de carbono equidistantes. Eso significa que cada uno de los electrones de valencia forma un enlace químico con un átomo de carbono vecino. Cada enlace es igualmente fuerte y tan indistinguible (esto se llama enlace sp3). Eso significa esencialmente que los cuatro electrones de valencia ya no están débilmente unidos y, por lo tanto, ya no están disponibles para las transiciones ópticas. Por supuesto, pueden ser excitados por fotones de mucha mayor energía, pero en la banda óptica los fotones ya no tienen suficiente energía para promoverlos a un estado accesible de mayor energía. Se puede hablar de espacios de banda y similares, pero la esencia es que todos los electrones están fuertemente unidos en la red de diamantes.

Ahora para el grafito, el material es un sólido que comprende láminas individuales de grafeno apiladas entre sí. El grafeno es una red hexagonal bidimensional. Cada carbono en la red tiene tres vecinos equidistantes. Eso significa que hay tres enlaces químicos formados en la red de grafeno (esto se llama enlace sp2). Eso deja un electrón en un estado no unido (en realidad es un p-orbital y se proyecta fuera del plano de grafeno). En esencia, hay tres electrones fuertemente unidos y un electrón débilmente unido. Esta es la diferencia esencial entre los dos materiales. La unión entre las láminas de grafeno es débil, por lo que las láminas de grafeno individuales podrían aislarse del grafito a granel. El único electrón débilmente unido en cada átomo en la red hexagonal en realidad puede saltar entre sitios de red de la misma manera que los electrones en un metal. Cuando tenemos en cuenta todos los posibles estados de salto de electrones en el material, forma una amplia banda de energías permitidas de tal manera que la luz puede ser absorbida a través de una amplia gama de frecuencias.

En términos más generales, en los depósitos de carbono negro, la mayoría de los átomos tienen electrones débilmente unidos que no se mantienen en enlaces químicos apretados, y también se absorben ampliamente.

En general, los materiales absorbentes que contienen carbono tienen uno o más electrones que solo están débilmente unidos, mientras que en los materiales transparentes, todos los electrones ocupan un enlace químico (como en un cristal de azúcar) y, por lo tanto, están más estrechamente unidos. Muchas moléculas orgánicas absorben en la región ultravioleta, y en ese caso la absorción corresponde a un electrón que se promueve desde un orbital unido a lo que se llama orbitales anti-enlace. Es por eso que la luz UV es destructiva para la materia orgánica. Básicamente rompe los enlaces químicos.

Principalmente, lo que hace que las cosas sean transparentes es que los electrones en la sustancia tienen niveles de energía tales que la luz no tiene suficiente energía para llevar al electrón a un estado de mayor energía.

Los diamantes tienen un alto índice de refracción, por lo que doblan mucho la luz. Por eso son tan bonitas. No tienes que pulir muchas facetas para que brillen bien. Si mueles un diamante, el polvo detiene gran parte de la luz o la devuelve por esa razón.

ETA: Contestaré esto específicamente para el carbono, aunque los detalles editados parecen ir en una dirección diferente.

El diamante es un cristal cúbico centrado en la cara. Me molesta que lo llamen así, porque es tan bueno decir que es tetraédrico, como apilar balas de cañón, y personalmente me parece mucho más fácil de visualizar.

Esa es la empaquetadura más ajustada para el mosaico de 3 espacios, aunque es sorprendentemente difícil de probar (y además, no es la empaquetadura de esfera más ajustada en una esfera, lo cual es una gran razón por la que la química 3-D es tan variada). Entonces puedes pensar en colocar bolas en una cuadrícula plana como triángulos equiláteros. Luego empacas otra capa en la parte superior e inferior. Cada esfera tiene 12 vecinos más cercanos, seis en un plano, tres arriba y tres abajo. El carbono tiene 6 átomos en el conjunto externo de orbitales p.

Eso funciona muy bien. Hay exactamente un electrón entre cada par de átomos, un lugar para cada electrón y cada electrón en su lugar. Eso crea enlaces muy fuertes, razón por la cual el diamante es tan duro. Cada lugar imaginable para un electrón está lleno, por lo que, en términos de electrodinámica cuántica, es muy denso, por lo que tiene un índice de refracción tan alto. Sin embargo, los electrones no tienen muchos otros lugares a donde ir. Intentar expulsar a uno se interpone en el camino de los demás, por lo que se necesita mucha energía para mover uno. Por eso es transparente y es un buen aislante. Los electrones resisten moverse fuera de lugar, y ni la luz visible ni una batería tienen suficiente energía para hacerlo.

El grafito es básicamente rebanadas de un diamante. Son solo los planos, donde cada átomo tiene 6 vecinos más cercanos. Como son planos, los planos se deslizan uno sobre el otro, por lo que es resbaladizo. Si lo machacas y lo calientas lo suficiente, los aviones se unen y forman diamantes. Casi lo suficiente, y es un diamante defectuoso. Un poco, y es como el carbón.

Los enlaces en el grafito son los mismos que en el diamante, pero solo hay 6 vecinos, por lo que solo se necesitan 3 electrones por átomo para mantenerse unidos. Los otros 3 electrones simplemente se quedan y se mueven. Son fáciles de empujar. Entonces el grafito conduce, porque un voltaje puede moverlos con bastante facilidad. También es opaco, porque la luz puede moverlos con bastante facilidad, y la luz se absorbe al hacerlo. Esto se llama estructura de banda y es responsable de cómo se comportan los metales. El grafito es solo un semi-metal, pero es la misma idea básica.

He dejado muchas cosas cuánticas, pero esto es lo suficientemente bueno para la intuición.

El problema para obtener una comprensión general de este caso es que el carbono resulta ser muy agradable y encaja con la geometría de una manera comprensible. La mayoría de los átomos no son así. Es infernalmente difícil calcular los niveles de energía. De hecho, no existe una solución analítica en el caso general; las matemáticas son demasiado difíciles, por lo que tenemos que usar simulaciones numéricas enormes o simplemente contentarnos con medirlas y dejarlo así.

Se conocen 4 alótropos del elemento carbono.
Uno de estos alótropos es el grafito, que es de color negro; otro alótropo es el diamante, que es de color claro. Los otros dos alótropos C60 y grafeno son sustancias creadas en laboratorio disponibles en cantidades muy pequeñas. No se su color.
Los 4 alótropos de carbono tienen diferentes estructuras químicas, por lo que tendrán diferentes propiedades físicas y (a veces diferentes) químicas. El color es un ejemplo de una propiedad física. El grafito es el alótropo más común de carbono. También es más barato y más fácil trabajar con él que con el diamante cuando se usa carbono como químico de laboratorio.
Los diamantes de grado industrial se utilizan en la industria como material abrasivo. Los diamantes de grado gema se venden en joyerías como accesorio de moda. El grafito tiene una gama más amplia de usos.
El azufre es otro ejemplo de un elemento que existe en más de una forma. es decir, tiene más de un alótropo. Existe como un polvo amarillo que tiene la fórmula química S8, o un polímero de fórmula S6250.
¡Esto es química escolar! Lo que son los alótropos, está cubierto en los libros de texto de química escolar para niños de 14 y 15 años. (Cuando estaba en la escuela en cualquier caso). Obtenga un libro de texto de química para ese grupo de edad. Los libros de texto de química más avanzados dan por sentado que el lector sabe qué son los alótropos.
El fósforo es otro ejemplo de un elemento que existe en más de una forma. Por ejemplo, el fósforo blanco, el fósforo rojo y el fósforo negro son varias formas de fósforo, es decir, el elemento Fósforo tiene más de un alótropo.
El elemento oxígeno existe como O2, oxígeno cotidiano, y como O3, ozono. es decir, el oxígeno tiene más de un alótropo. O siendo el símbolo genérico del oxígeno; pero el oxígeno no existe normalmente como O, sino como O2 y como O3. No puede llenar un cilindro de gas con O. Pero puede llenar uno con O2 u O3.
Del mismo modo, el carbono no existe normalmente como C solo, sino como una estructura en forma de lámina de átomos de carbono unidos en un anillo (es decir, grafito), como una red tetraédrica de átomos de carbono (es decir, diamante), como un grupo de 60 átomos de carbono unidos uno a otro en forma de bola (es decir, C60, mencionado anteriormente), o como grafeno; Una forma de carbono recientemente descubierta por un grupo de investigadores de la Universidad de Manchester en la década de 2000.

PD. Los libros de texto de química pueden expresar la reacción del azufre con el oxígeno como S + O2 = SO2
aunque en realidad el azufre existe como S8. Escriben la reacción, como arriba, en lugar de como S8 por simplicidad.

Asimismo la reacción química
C + O2 = C02
como está escrito en los libros de texto de química significa:
C (grafito) + O2 = CO2
o
C (diamante) + O2 = CO2
es decir. Los autores simplemente escriben C por simplicidad, porque el producto final es el mismo, CO2; Cualquier fuente de grafito o diamante, es decir, carbono, se utiliza para la reacción química. Escribir la fórmula química para grafito o diamante para lo que realmente es: C1000000 o lo que sea, haría que la fórmula parezca innecesariamente complicada. Entonces los autores de química simplemente escriben C; dejando que el maestro de la escuela explique lo que realmente significa esta forma de mano corta.
He escrito oxígeno como O2, la verdadera fórmula del oxígeno, como en los libros de texto de química, en lugar de solo O, porque la fórmula química para el alótropo de oxígeno que usamos en el laboratorio y para respirar, es decir, oxígeno diario, es simplemente O2. Entonces, para el bit de oxígeno de la ecuación anterior, escribimos ese bit como realmente es. Pero el bit de carbono es demasiado complicado para escribirlo como realmente es; así que simplemente escribimos C como una abreviatura. De la misma manera, escribimos S como una abreviatura de azufre, porque afirmar que el azufre es de hecho S8 no es esencial. La forma de polímero de azufre S6250 mencionada anteriormente no es un alótropo estable de azufre que puede comprar a proveedores de productos químicos, por lo que no hay confusión al escribir la fórmula de azufre como S en lugar de S8. (S6250 es la forma fundida de azufre que se obtiene cuando sale de un volcán durante una erupción volcánica. S6250 luego se enfría para formar S8. S6250 también se puede hacer en el laboratorio simplemente calentando S8. Es un experimento de química escolar).

La forma alotrópica más cercana de diamante es el grafito, que están hechos de molécula de cadena de carbono.
Pero el diamante exhibe una estructura molecular diferente a la del grafito.
El grafito cuando se somete a altas temperaturas y presiones alcanza diferentes etapas, de las cuales la etapa de diamante es estable en condiciones normales.
Debido a la transformación de la forma alotrópica, exhiben diversas propiedades físicas y químicas.

la comparación debería haber sido entre diamantes negros y diamantes blancos. Sin embargo, sin disputar las explicaciones anteriores, puede haber luz en forma de fotones individuales que logran penetrar, pero a un nivel tal que requieren instrumentos extraordinariamente sensibles para detectarlos.

@Eric ya ha respondido la pregunta. Solo me gustaría agregar, la estructura cristalina también juega un papel. P.ej. Un diamante con un cristal imperfecto.
O las inclusiones en el cristal no serán tan transparentes.

También me gustaría agregar, la transparencia también depende del espectro visible del observador. P.ej. Lo que puede ser transparente para los humanos puede no serlo para una abeja melífera.