Grafito – Mucho mas que Lapices Escolares

¿Qué es el grafito?

El grafito es un mineral de la clase de los elementales, y en su composición concreta interviene un elemento semimetalico.

Seguramente te interese saber de que esta hecho el grafito. la composición está formada casi exclusivamente por átomos de carbono, y se trata de hecho de una de las formas alotrópicas en que se puede presentar el carbono elemental, junto con el diamante, el fulereno y otros, como el grafeno.

Es la forma más estable del carbono en condiciones estándar (o a presiones y temperaturas bajas), por lo que se la usa en termoquímica para definir el estado estándar respecto del cual se mide el calor de formación de los compuestos del carbono.

La formula quimica del Grafito es C.

También es polimorfo de la chaoïta y la lonsdaleïta. Este término tiene su origen del griego γραφειν (graphein) que significa escribir.

Composición Quimica del Grafito

Se puede considerar la composición del grafito como el carbón de máximo contenido en carbono, encontrándose por encima de la antracita, por lo que se le puede llamar meta-antracita, aunque normalmente no se lo emplea como combustible debido a que es muy difícil encenderlo.

También es posible entender a este mineral como una sucesión de capas de grafeno superpuestas.

Mira este corto video sobre la estructura del grafito

Características  y propiedades del grafito

Características

Es de color negro con brillo metálico, refractario y exfolia con facilidad. Otras de las caracteristicas del grafito es que en la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y 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 semimetalico.

Integramente compuesto por atomos de carbono, por lo que la formula del grafito es C.

La Densidad del grafito es de 2,09 a 2,23 g/cm³. La Dureza del grafito en la escala de Mohs es aproximadamente entre 1 y 2.

Propiedades

La estructura molecular del grafito presenta 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 este plano quede libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento eléctrico de este material).

El enlace covalente entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte, en cambio las uniones entre las diferentes capas se realizan por fuerzas de Van der Waals y las interacciones entre los orbitales Π, y son mucho más débiles.

La estructura del grafito mineral es laminar y hace que sea un material marcadamente anisótropo.

Este mineral tiene funciones de rayar otros minerales para medir su dureza, ya que no es muy frágil.

De manera artificial, puede convertirse en diamante aumentando la temperatura y la presión, y utilizando un catalizador para aumentar la velocidad de la reacción.

Este material es un polimorfo del diamante, la chaoïta y la lonsdaleïta. Tiene dos politipos, la variedad 2H, que también cristaliza en el sistema hexagonal, y la variedad 3R, que lo hace en el trigonal.

Además se conocen dos variedades: la cliftonita, es un mineral octaédrico pseudomórfica tras kamacita, encontrado en unos pocos meteoritos de hierro, y una variedad uránica, un mineral que como su nombre indica contiene uranio.

¿Como se forma el grafito?

Dentro de la formación del grafito, este material se encuentra en rocas metamórficas como resultado de la reducción de compuestos de carbono sedimentario durante el metamorfismo.

También se encuentra en rocas ígneas y en los meteoritos.

Los minerales asociados a su estructura incluyen cuarzo, calcita, diferentes añicos y turmalina. En meteoritos ha encontrado con troilita y minerales silicatos.

Los cristales de este material en hierro meteorítico se conocen como cliftonita.

El principal productor mundial es China, seguido de India y Brasil.

Formas del grafito

Puede ser natural o sintético. El mineral grafito natural es una de las formas alotrópicas del carbono encontradas en la naturaleza, mientras que la sintética se produce industrialmente con el uso de altas temperaturas y presión, empleando materias primas tales como el coque de la hulla o el antracita.

Este mineral se puede encontrar en más de una forma en la naturaleza: la microcristalina (conocida comercialmente como “grafito amorfa”), la cristalina (conocida como grafito cristalino, del tipo “floco” o “flake”) o la variedad de vinilo “lump”, que se presenta 8 en piedras de alta concentración, siendo esta una forma más rara producida solamente en Sri Lanka.

Origen

Las primeras minas de este mineral fueron descubiertas en 1400, en Baviera, Alemania. En 1504, se descubrió una mina de grafito en Cumberland, Inglaterra.

En las minas inglesas de Cumberland fue tan usado, que su explotación acabó siendo prohibida, bajo pena de muerte.

Sólo a finales del siglo XVIII el químico sueco Carl Wilhelm Scheele distingue a este mineral de la molibdita.

¿De donde se extrae el grafito en la actualidad?

En la actualidad se extrae este mineral en:

• Italia
• Finlandia

En menor cantidad es posible hallarlo en:

• Estados Unidos

Estos son los lugares de donde se obtiene el grafito

¿Como se obtiene el grafito?

El Proceso de producción del grafito es el siguiente:

Minería – El mineral de grafito se extrae de las minas de cielo abierto o subterráneas, pudiendo ser de fácil extracción o exigir el uso de explosivos para desmontar. El mineral, después de extraído, es transportado a plantas de concentración.

Concentración mecánica – El mineral se somete a sucesivas moliendas ya un proceso de separación mecánica (por flotación) de las impurezas presentes en este mineral.

La concentración mecánica busca la máxima recuperación del grafito presente en el mineral, preservando sus características físicas. En este proceso se alcanzan niveles de 75% a 98% de este mineral.

Concentración química – Para obtener grafito con altos contenidos (encima del 98%) se utiliza la concentración química para remoción de las impurezas restantes previamente concentrado mecánicamente. Con este proceso se alcanzan niveles de 99,8% de este mineral.

Clasificación – Técnicas de cribado se utilizan para clasificar las partículas del grafito concentrado, alcanzando la distribución granulométrica deseada para cada aplicación en la industria.

Para la producción de polvo de grafito muy fino (debajo de 75 micras), molinos pendulares de chorro y martillo molen el grafito concentrado, hasta que las partículas alcancen el tamaño deseado.

Las partículas molidas se clasifican, posibilitando controlar la distribución granulométrica del producto generado.

Los diferentes métodos de molienda y clasificación permiten dar formato a la partícula, dando al estado natural del grafito características distintas de densidad para superficies específicas.

Usos del grafito en la actualidad

El grafito es uno de los alótropos del carbono; es un conductor eléctrico y puede ser utilizado, por ejemplo, como los electrodos de una lámpara eléctrica de arco voltaico. También se utiliza en la fabricación de motores y piezas electrónicas.

Si te estabas preguntando ¿Para qué sirve el grafito?, aqui te damos algunos de los ejemplos de las aplicaciones del grafito mas importantes en la actualidad:

• Mezclado con una pasta sirve para fabricar lápices grafito escolares y de todo tipo.
• Se puede encontrar en ladrillos, baldosas, crisoles, etc.
• Es un buen lubricante sólido, ya que se desliza fácilmente debido a la superposición de capas (de grafeno) que constituye su estructura reticular.
• Se usa en la creacion de diversas piezas en ingeniería, como rodamientos, etc.
• Es conductor de la electricidad y se utiliza para fabricar electrodos.
• También tiene otras aplicaciones eléctricas, como por ejemplo las pequeñas piezas de carbón que en muchos motores eléctricos posibilitan el contacto entre las fases eléctricas y el colector.
• Es usado también para crear discos parecidos a los de discos vinilo.
• Se encuentra también en muchos tipos de reactores nucleares, en los que se emplea a veces grafito sintético, ultrapuro, como matriz moderadora del flujo neutrónico (hace ir más lentos los neutrones). Se debe tener cuidado de que el grafito usado en los reactores no contenga materiales absorbentes de neutrones tales como el boro, ampliamente usado como electrodo iniciador a los sistemas de deposición comercial de grafito; esto causó el fracaso de los reactores nucleares alemanes de la Segunda Guerra Mundial basados ​​en grafito. Como los alemanes no fueron capaces de determinar la naturaleza del problema, se vieron forzados a usar como sustancia moderadora agua pesada, mucho más cara. La variedad usada en los reactores nucleares se llama frecuentemente grafito nuclear.
• Es usado para crear grafeno, un material de alta conductividad eléctrica y térmica, potencial futuro sustituto del silicio en la fabricación de chips.

Su uso como lápiz

La posibilidad de dejar marcas en el papel y otros objetos dan su nombre a este material y es una de las características del lapiz. El grafito del lápiz, o plomo negro, es más comúnmente una mezcla de polvo de grafito y arcilla.

Plumbago es un término más antiguo para el grafito natural utilizado para dibujar, tradicionalmente como un trozo de mineral sin la envoltura de madera. Hoy en día, los lápices son todavía un mercado pequeño pero significativo para el grafito natural.

Alrededor del 7% de los 1,1 millones de toneladas producidas en 2011 se empleó para hacer lápices.

¿Quien invento el lapiz?

El origen del grafito como Lapiz se ubica en el año 1565, en Gran Bretaña, donde se encuentra el primer registro del uso del grafito en las minas de los lápices, hechos como un sándwich de dos pedazos de madera con el grafito en el centro.

El primer registro del uso del Lápiz en Alemania ocurre en 1644. En 1761 en la aldea de Stein, cerca de Nuremberg, el carpintería Kaspar Faber (1730 – 1784) comienza a producir lápices en su taller, que su hijo Anton Wilhelm Faber (1758-1819) transformaría más tarde en una próspera fábrica.

A partir de 1839 ocurre un perfeccionamiento del llamado proceso de fabricación del grafito, con la adición de arcilla – una invención casi paralela del francés Conté y del austríaco Hartmuth, a finales del siglo XVIII.

A partir de entonces, arcilla y grafito molidos pasaron a ser mezclados hasta formar una pequeña vara, luego quemada.

A través de la mezcla de arcilla con grafito se hizo entonces posible fabricar lápices con diferentes grados de dureza.

Lothar von Faber (1817-1896), el bisnieto de Kaspar, aumentó la capacidad de producción de la fábrica. Después de la construcción de un molino de agua, el aserrín y la ranura de la madera pasan a ser mecanizados, y una máquina a vapor hace la fabricación aún más racional.

De esta forma está abierto el camino para la industria de gran tamaño. En 1856 Lothar adquiere una mina de grafito en Siberia, no muy lejos de Irkutsk, que producía el mejor grafito de la época.

El “oro negro“, otro de los nombres que recibia este mineral, era transportado por tierra en las costas de renos a lo largo de caminos inhóspitos y accidentados, hasta la ciudad portuaria, donde el material podía ser enviado de barco a lugares más lejanos.

Tipos de lapices de grafito

Este mineral corresponde a una de las cuatro formas alotrópicas del carbono. Las otras son el diamante, el fulereno y el grafeno.

Quizas te estes preguntando sobre el significado de las letras de los lapices, el cual es el siguiente:

Los minerales grafito se clasifican con una letra (B o H) y un número, que varía entre 2 y 9. Cuanto menor el número, más suaves son las características, y cuanto mayor, más acentuadas.

La excepción de esta regla es el HB, que no tiene número, es un tipo único.

Mencionaremos cada uno de los tipos de grafito que puedes encontrar:

Tipo B

¿Has oído hablar de que lápiz 6B es bueno para sombrear? Esto porque este tipo es más suave que los demás, haciendo que el esfumar sea más fácil.

Es necesario tener cierto cuidado, pues puede manchar el dibujo si pasa la mano por encima de un área ya pintada.

Tipo H

Este tipo es más rígido, no se esfuma con facilidad, ideal para hacer bosquejo, arte final y más cualquier paso en que se usan rasgos gráficos.

Tipo HB

Como el propio nombre sugiere, este tipo es la intersección entre los dos anteriores. No tiene numeraciones, como se había mencionado anteriormente.

Grafito y Grafeno

El Grafeno es el nombre para una modificación de carbono con una estructura bidimensional en la que cada átomo de carbono está rodeado por otros tres en un ángulo de 120° para formar un patrón en forma de panal.

Dado que el carbono es tetravalente, debe haber dos enlaces dobles por “panal”, pero estos no son localizados.

Es una concatenación de anillos de benceno, como ocurre a menudo en los compuestos aromáticos.

Aunque un anillo de benceno simple tiene tres enlaces dobles en la representación de las fórmulas de la línea de valencia, en esta representación puramente formal, los anillos de benceno contiguos tienen sólo dos enlaces dobles por anillo.

Por lo tanto, la estructura puede describirse mejor representando los enlaces deslocalizados como un gran círculo en el anillo de benceno. Las relaciones de unión en el grafeno se describen en la estructura del grafeno.

¿Te resulta complicado? Si tienes 1 minuto, en el video que pusimos al inicio de este post lo entenderas a la perfección

El grafeno puede describirse como un hidrocarburo aromático policíclico. Otros grupos de átomos tienen que ser acoplados al “borde” de la red cristalina del grafito, pero apenas cambian las propiedades del gráfico, dependiendo de su tamaño.

En teoría, las laminas de carbono de una sola capa, los grafenos, se utilizaron por primera vez para describir la estructura y las propiedades electrónicas de los materiales de carbono complejos.

Sin embargo, las estructuras estrictamente bidimensionales, infinitamente extendidas y en todas partes planas, no son posibles debido a un riguroso teorema matemático, el teorema de Mermin-Wagner y sus variantes, porque se puede demostrar que son termodinámicamente inestables.

La estructura tridimensional del grafito, con la que el grafito está estrechamente relacionado, se puede crear cuidadosamente apilando estas laminas de una sola capa.

Si, por otro lado, se imaginan las laminas de una sola capa enrolladas, se obtienen nanotubos de carbono estirados.

De la misma manera, algunos de los seis anillos pueden ser reemplazados por cinco anillos, por lo que la superficie plana sobresale en una superficie esférica y los fullerenes resultan con ciertas relaciones numéricas: Si, por ejemplo, se sustituyen 12 de los 32 anillos, se produce el fullereno más pequeño (C60).

Teóricamente, también son posibles las capas de una sola capa de otros elementos tetravalentes como el silicio y el germanio.

En 2012, se demostraron experimentalmente capas de silicio en forma de una sola capa de silicio ligeramente ondulada.

Ahora ya sabes que es un grafito. No son solo lapices, quien dice, con un poco de presión y temperatura (muchaaaaa) quizas hasta puedas tener tus propios diamantes… Soñar no cuesta nada.