Fundamentos del grafito: Introducción
Explore los fundamentos del grafito, incluyendo su estructura, propiedades, formas naturales y sintéticas, y el papel fundamental que desempeña en materiales, productos y procesos industriales.
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Una herramienta fundamental desde nuestra infancia, el grafito es más conocido como el componente activo de los lápices de mina. Es una de las tres formas naturales y comunes del elemento químico carbono, junto con el carbono amorfo (que no debe confundirse con el grafito amorfo) y el diamante.
A pesar de su uso extendido en instrumentos de escritura, la utilización de este material se ve ampliamente superada por una multitud de aplicaciones industriales cuyo rendimiento depende de sus singulares propiedades químicas y físicas. El grafito es un aditivo clave en numerosos sistemas industriales, donde aporta funcionalidad como refractario, lubricante, conductor térmico, conductor eléctrico, blindaje contra radiación UV, blindaje contra pulsos electromagnéticos, barrera anticorrosión, pigmento, etc. Los artículos aquí presentados constituyen una introducción cualitativa al grafito como un material capaz de proporcionar a formuladores y fabricantes un medio eficiente para aportar valor a sus productos y procesos. Se describirán las propiedades únicas del grafito, su formación y sus aplicaciones, haciendo especial hincapié en la estrecha relación entre su forma molecular y cristalográfica y su efecto sobre la funcionalidad.
El grafito se considera un mineral industrial milenario, ya que ha sido explotado por sus propiedades funcionales (lubricación, pigmentación, escritura, etc.) durante miles de años. La palabra grafito proviene del término griego graphein, que significa «escribir». Los científicos del carbono aún conservan una variante de esta palabra en el término grafeno, utilizado para describir una sola capa de un cristal de grafito: la capa de grafeno. El uso documentado del grafito como material comercial de escritura se remonta a la zona cercana a Keswick, en Cumberland, Gran Bretaña, donde se descubrió un yacimiento de grafito de alta calidad para escritura a mediados del siglo XVI (Petroski).
A finales del siglo XIX, mientras intentaba fabricar el material refractario carburo de silicio, E.G. Acheson descubrió que el grafito sintético se formaba como resultado de este proceso eléctrico a temperaturas ultraaltas. Este descubrimiento marcó el nacimiento de la industria del grafito sintético. Aproximadamente al mismo tiempo que Acheson experimentaba con la fabricación de electrodos de grafito sintético, el Sr. Riddle (fundador de Asbury Graphite Mills, Inc.) transformaba un molino hidráulico, utilizado anteriormente para moler harina, en una planta de molienda de grafito natural.
Con el respaldo de Asbury Graphite Mills, Inc., la industria actual se beneficia de más de 110 años de experiencia de Asbury en el procesamiento de productos de grafito tanto natural como sintético bajo estrictas especificaciones de tamaño, pureza y rendimiento, empleando los equipos de molienda y clasificación granulométrica más avanzados.
Los materiales de grafito se dividen en dos clasificaciones principales: grafito natural y grafito sintético. El grafito natural puede subdividirse en tres tipos principales: amorfo, en hojuelas (flake) y en veta cristalina. Cada tipo posee propiedades características y se forma en un entorno geológico único. El grafito sintético puede dividirse en múltiples tipos, cuyas propiedades finales dependen del precursor de carbono utilizado en su fabricación, así como del historial de tratamiento térmico de dicho precursor.
Independientemente del tipo, todos los materiales de grafito comparten ciertas características inherentes, reflejo de la estructura atómica y la disposición cristalográfica de los átomos de carbono en el cristal de grafito. Propiedades como la lubricidad, la conductividad térmica, la conductividad eléctrica, el color, etc., son constantes cuando se aplican a un monocristal de grafito. Sin embargo, cuando los monocristales o cristalitos se combinan para formar partículas macroscópicas —como en hojuelas, terrones, polvos o piezas de grafito—, estas propiedades experimentan variaciones que reflejan la forma en que los cristales microscópicos se disponen en las partículas macroscópicas. La orientación del cristal o cristalito respecto a los dominios vecinos, los efectos de borde de grano, entre otros factores, contribuyen a las propiedades globales del sólido o polvo, las cuales pueden diferir significativamente de las del cristal perfecto. Esta disposición de cristales y cristalitos, junto con la pureza de un material de grafito determinado, es lo que confiere a los distintos tipos de grafito sus respectivas propiedades. Estas diferencias dan lugar a la variabilidad en las características de rendimiento observadas entre los diferentes materiales de grafito.
A continuación, conozca más sobre la estructura, los enlaces, la morfología y las propiedades generales del grafito a medida que profundizamos en las diversas opciones disponibles en Asbury Advanced Materials.
Un recorrido exhaustivo por los fundamentos del grafito. Le invitamos a conocer más sobre este importante material y el papel crítico que desempeña en nuestro planeta y en sus proyectos.
El carbono en números
El carbono es un elemento químico. Su número atómico es 6; su peso atómico es 12.011. Es un elemento del grupo IVA, ubicado entre el boro y el nitrógeno en la tabla periódica, y posee 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. Su configuración electrónica es 1s2, 2s2, 2p2. ¿Por qué es esto importante?
Estructura y enlaces
Al igual que con cualquier otro material, las propiedades del carbono son el resultado directo de la fuerza y la direccionalidad de los enlaces que mantienen unidos a sus átomos. Por lo tanto, cualquier análisis sobre el grafito debe comenzar con la «estructura y los enlaces» dentro de un material carbonoso para comprender el motivo de su comportamiento.
Aromaticidad y resonancia: el factor de estabilización química en el grafito
La propensión de cualquier material a reaccionar con su entorno está directamente relacionada con su nivel de energía respecto a dicho entorno. Las sustancias con un alto nivel energético tienden a ser más reactivas y sus reacciones tienden a reducir el potencial energético global del sistema. Así funciona la naturaleza o, de hecho, el universo. Las cosas, las reacciones, e incluso la vida, tienden a evolucionar de un estado de alta energía a uno de baja energía.
El sistema cristalino hexagonal
Una comprensión adecuada de los materiales grafíticos requiere un conocimiento básico del sistema cristalino al que pertenece la estructura del grafito. Aunque un análisis exhaustivo de la cristalografía excede el alcance de este artículo, es fundamental comprender que los átomos de carbono en la estructura del grafito están dispuestos en una red cristalina hexagonal. Este sistema hexagonal encaja a la perfección con la estructura, los enlaces y las propiedades del carbono grafítico.
Descripción estructural
El grafito cristalino no es simplemente un conjunto de capas de grafeno apiladas unas sobre otras, sino una estructura altamente ordenada.
Rocas, rocas metamórficas y entornos metamórficos
La mayoría de los materiales de grafito natural se forman en entornos geológicos conocidos como medios metamórficos. El término «metamórfico» significa transformar, por lo que las rocas o minerales metamórficos son aquellos que experimentan alteraciones durante su historia geológica. Esta transformación se debe típicamente a la exposición al calor y la presión en la corteza terrestre. Leer más
Anisotropía
Un material anisotrópico es aquel que presenta diferentes propiedades (químicas, físicas o ambas) según la dirección cristalográfica en la que se observe dicha propiedad. El grafito es el ejemplo clásico de una sustancia anisotrópica. Leer más
Geoquímica orgánica y petrología
El estudio del emplazamiento del carbono en la corteza terrestre se conoce como geoquímica orgánica y petrología orgánica. En su destacada obra sobre la materia, los autores y químicos Stephen y Vanessa Killops describen la geoquímica orgánica como la disciplina «relativa al destino de todos los compuestos orgánicos en la geosfera en su conjunto».
