Grafito

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Grafito
Graphite-233436.jpg
General
Categoría Minerales elementos nativos
Clase 1.CB.05a (Strunz)
Fórmula química C
Propiedades físicas
Color gris y gris oscuro
Raya gris oscuro
Lustre metálica
Transparencia no
Sistema cristalino Hexagonal (6/m 2/m 2/m)
Hábito cristalino Tabular, de seis caras foliada, las masas granulares compactados
Exfoliación Perfecta
Fractura Escamosa, de lo contrario en bruto, cuando no en la división
Dureza 1-2 (Mohs)
Tenacidad Escamas finas flexibles y quebradizas
Densidad 2,09 a 2,23 g/cm³
Índice de refracción Opaco
Pleocroísmo No
Solubilidad Fundido Ni
Magnetismo diamagnético

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono en la naturaleza. Otras formas son el diamante, la chaoita y la lonsdaleíta. A presión atmosférica y temperatura ambiente el polimorfo más estable es el grafito. Sin embargo, la transformación del diamante en grafito es tan extremadamente lenta que solo es apreciable a escala geológica.

Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el año 1789. El término grafito deriva del griego γραφειν (graphein) que significa "escribir", ya que se usa principalmente para crear la punta de los lápices. Antiguamente recibía otros muchos nombres, como plombagina y "molibundasna" (que no debe confundirse con el mineral molibdeno).[1]

Abundancia[editar]

El grafito aparece en rocas metamórficas como resultado de la reducción de los compuestos de carbono de sedimentarias durante el metamorfismo. También se encuentra en rocas ígneas y en meteoritos.[2]​ Los minerales asociados al grafito son el cuarzo, la calcita, la mica y la turmalina.

En los meteoritos, el grafito se presenta con la troilita y los minerales de silicatos.[2]​ Los pequeños cristales de grafito en el hierro meteórico se denominan cliftonita.[3]​ Algunos granos microscópicos tienen composiciones de isótopos distintivas, lo que indica que se formaron antes del Sistema Solar.[4]​ Son uno de los cerca de 12 tipos de minerales conocidos que son anteriores al Sistema Solar y que también se han detectado en nubes moleculares. Estos minerales se formaron en los materiales eyectados cuando las supernovas explotaron o las estrellas de tamaño bajo o intermedio expulsaron sus envolturas exteriores al final de su vida. El grafito puede ser el segundo o tercer mineral más antiguo del Universo.[5][6]

Aunque puede producirse artificialmente, a partir de carbono amorfo, existen muchos yacimientos naturales de este mineral. Se encuentra en rocas metamórficas, en las que los procesos asociados con su formación han transformado el carbono presente en la materia orgánica que contenía la roca original. Los principales paieses exportadores de grafito extraído son, por orden de tonelaje: China, México, Canadá, Brasil y Madagascar.[7]

Estructura[editar]

Estructura atómica del grafito

El grafito cristaliza en el sistema hexagonal. En el grafito los átomos de carbono presentan hibridación sp2, esto significa que forma tres enlaces covalentes en el mismo plano a un ángulo de 120° (estructura hexagonal) y que un orbital Π perpendicular a ese plano quede libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento eléctrico del grafito). El enlace covalente entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte. Sin embargo, las uniones entre las diferentes capas se realizan por fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales Π, y son mucho más débiles.Se podría decir que el grafito está constituido por láminas de grafeno superpuestas. Esta estructura laminar hace que el grafito sea un material marcadamente anisótropo.

Propiedades[editar]

El grafito es de color negro y gris con brillo metálico, refractario y se exfolia con mucha facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja, que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. Aunque tanto el grafito como el diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono, el grafito es muy blando y opaco, mientras que el diamante es el mineral más duro según la escala de Mohs y además deja pasar la luz a través de sí. Estas marcadas diferencias físicas se deben exclusivamente a las diferentes redes cristalinas o retículos sobre las que se disponen los átomos de carbono en el grafito (átomos de carbono en los vértices de prismas hexagonales) y en el diamante (la red cristalina está hecha de tetraedros regulares cuyos vértices son átomos de carbono).

Aplicaciones[editar]

  • El grafito mezclado con una pasta se utiliza para fabricar la mina de los lápices.
  • Se usa como componente de ladrillos refractarios, crisoles, etc.
  • Al deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un buen lubricante sólido.
  • Se utiliza en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc.
  • Debido a su conductividad eléctrica y a su resistencia química se usa para fabricar electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas, como los carbones de un motor (escobillas), que entran en contacto con el colector.
  • Se emplea en reactores nucleares, como moderador.

Síntesis artificial del grafito[editar]

En 1893, Charles Street de Le Carbone descubrió un proceso para fabricar grafito artificial. A mediados de la década de 1890, Edward Goodrich Acheson (1856-1931) inventó accidentalmente otra forma de producir grafito sintético tras sintetizar carborundo (carburo de silicio o SiC). Descubrió que el sobrecalentamiento del carborundo, a diferencia del carbono puro, producía grafito casi puro. Al estudiar los efectos de las altas temperaturas en el carborundo, descubrió que el silicio se vaporiza a unos 4.150 °C (7.500 °F), dejando el carbono en grafito. Este grafito se hizo valioso como lubricante.[3]

La técnica de Acheson para producir carburo de silicio y grafito recibe el nombre de proceso Acheson. En 1896, Acheson recibió una patente por su método para sintetizar grafito,[8]​ y en 1897 comenzó la producción comercial.[3]​ En 1899 se formó la Acheson Graphite Co.

El grafito sintético también puede prepararse a partir de la poliimida y se comercializa así.[9][10]

Compuestos de intercalación de grafito[editar]

Distintas moléculas o iones pueden penetrar en las capas del grafito. Por ejemplo, el potasio puede ceder un electrón al grafito, quedando el ion de potasio, K, entre las capas. Este electrón contribuye a aumentar la conductividad que presentaba el carbono.

Se pueden preparar diferentes compuestos de intercalación con distintas estequiometrías y distintas especies. En algunos casos la conductividad resultante es mayor, como en el caso del potasio, y es lo que ocurre generalmente, pero en otros, como por ejemplo con flúor, es en menor medida.

Otras formas relacionadas[editar]

Existen otras formas llamadas de carbón amorfo que tienen una estructura relacionada con la del grafito:

Referencias[editar]

  1. «Graphite. Mindat». 
  2. a b Anthony, John W.; Bideaux, Richard A.; Bladh, Kenneth W. et al., eds. (1990). «Graphite». Handbook of Mineralogy. Vol. I (Elements, Sulfides, Sulfosalts). Chantilly, VA: Mineralogical Society of America. ISBN 978-0962209703. 
  3. a b c graphite. Encyclopædia Britannica Online. (en inglés)
  4. Maria, Lugaro (2005). Stardust From Meteorites: An Introduction To Presolar Grains. World Scientific. pp. 14, 154-157. ISBN 9789814481373. 
  5. Hazen, R. M.; Downs, R. T.; Kah, L.; Sverjensky, D. (13 de febrero de 2013). «Evolución de los minerales de carbono». Reviews in Mineralogy and Geochemistry 75 (1): 79-107. Bibcode:2013RvMG...75...79H. doi:10.2138/rmg.2013.75.4. 
  6. McCoy, T. J. (22 de febrero de 2010). «Evolución mineralógica de los meteoritos». Elements 6 (1): 19-23. doi:10.2113/gselements.6.1.19. 
  7. Coalición para la Educación sobre los Minerales, ed. (2018). «Grafito». Base de datos de minerales. Consultado el 9 de diciembre de 2018. 
  8. Acheson, E. G. "Manufacture of Graphite", Patente USPTO n.º 568323, emitida el 29 de septiembre de 1896.
  9. Kato, Tomofumi; Yamada, Yasuhiro; Nishikawa, Yasushi; Ishikawa, Hiroki; Sato, Satoshi (30 de junio de 2021). «Carbonization mechanisms of polyimide: Methodology to analyze carbon materials with nitrogen, oxygen, pentagons, and heptagons». Carbon 178: 58-80. ISSN 0008-6223. S2CID 233539984. doi:10.1016/j.carbon.2021.02.090. 
  10. Kato, Tomofumi; Yamada, Yasuhiro; Nishikawa, Yasushi; Otomo, Toshiya; Sato, Hayato; Sato, Satoshi (12 de julio de 2021). «Origins of peaks of graphitic and pyrrolic nitrogen in N1s X-ray photoelectron spectra of carbon materials: quaternary nitrogen, tertiary amine, or secondary amine?». Journal of Materials Science 56 (28): 15798-15811. Bibcode:2021JMatS..5615798K. ISSN 1573-4803. S2CID 235793266. doi:10.1007/s10853-021-06283-5. 

Enlaces externos[editar]