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viernes, 2 de septiembre de 2011
Grafito
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| Img 1. Estructura del Grafito |
Es una forma alotrópica del elemento carbono. Está constituido por láminas planas de átomos de carbono que forman un sistema de anillos condensados.(ver imagen 1). Las láminas están ordenadas en forma hexagonal y paralelas entre sí. Hay dos formas alotrópicas con diferentes secuencias de apilamiento: hexagonal y romboédrico. En cada lámina, cada átomo de carbono está unido a otros tres por medio de enlaces covalentes formando una serie continua de hexágonos. En el grafito hexagonal, la distancia entre los planos es de 0.3354, más del doble de la distancia del enlace C-C en los planos basales. Esto indica que la interacción entre láminas aromáticas es débil. Se asume que las láminas están unidas mediante enlaces de van der Waals e interacciones p-p, formando una red cristalina tridimensional.
Debido a esto, el grafito posee un alto
grado de anisotropía, de modo que sus propiedades eléctricas, térmicas y
mecánicas varían notablemente dependiendo de la dirección en la cual se haga la
medida. Así, en lo que respecta a sus propiedades mecánicas, las láminas pueden
deslizar fácilmente unas sobre otras, lo que confiere al grafito un carácter
untoso al tacto que es la base de sus aplicaciones como lubricante; sin embargo
presenta una gran resistencia en la dirección perpendicular a los planos
basales. Con respecto a la conductividad eléctrica, el grafito se comporta como
un semiconductor en la dirección normal al plano basal, mientras que en la
dirección de los planos su comportamiento se corresponde con el de un conductor
semimetálico. El grafito es uno de los materiales químicamente más inerte,
resistiendo a la mayoría de los álcalis, ácidos y gases corrosivos. La
reactividad del grafito aumenta con la temperatura reaccionando con el oxígeno
a temperaturas por encima de 300-400 ºC.
Grafito Natural
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| Img 2. Grafito Natural |
El Grafito Sintético
Es un material constituido por carbón grafítico.
Fue preparado por primera vez a principios del siglo XX, lo que contribuyó
notablemente a ampliar el campo de aplicaciones del grafito. En 1893 Edward
Goodrich Acheson patentó un método para fabricar un abrasivo industrial a
partir de arcilla y carbón calentados conjuntamente en un horno eléctrico a
temperaturas entre 1600-2500ºC. El material resultante, carburo de silicio
(SiC), recibió en nombre comercial de carborundum. El carborundum resultó ser
un abrasivo solo superado por el diamante. Con posterioridad, a mediados de
1890s, Acheson descubrió que calentando el carborundum a temperaturas muy
elevadas se podía eliminar el silicio obteniendo un grafito sintético
prácticamente puro, el cual es denominado grafito Acheson. El método de Acheson
consiste, en esencia, en someter a elevadas temperaturas, en un horno eléctrico
una mezcla de coque y siílice. En las partes menos calientes del horno (a unos
2.000° C) se produce una reacción entre el C y el Si para dar lugar a la
formación de carburo de silicio, el cual, al pasar a otras zonas del horno de
temperatura más elevada (superior a los 2.500°), se descompone, liberando el Si
y dejando el C en forma de grafito. El silicio, al liberarse, lo hace en estado
gaseoso, condensándose de nuevo en las zonas menos calientes. Allí se encuentra
con el coque, con el que reacciona de nuevo para dar lugar a la formación de
nuevas cantidades de carburo de silicio. El silicio se comporta, en cierto
modo, como catalizador de la reacción de transformación del carbono de coque en
grafito.
Los procesos de fabricación del grafito han evolucionado
notablemente hasta lograr un control casi total de la estructura cristalina del
material y de su pureza. Otro método por el que se obtienen la mayoría de los
grafitos sintéticos consiste en el tratamiento térmico a altas temperaturas de
un precursor sólido que contiene carbón no grafítico, pero grafitizable. Así
pues, en principio, el único requisito que tiene que cumplir los precursores de
un grafito sintético es que tengan un elevado contenido en carbono y que sean
grafizables. En la actualidad, la industria del grafito sintético utiliza
mayoritariamente coque de petróleo de diferente grado y breas de carbón o
petróleo, que se usan como ligante de las partículas de coque. Estos precursores
suelen dar lugar al grafito poligranular, término que incluye a todos los
grafitos sintéticos compuestos de granos que pueden distinguirse claramente al
microscopio. El más común de estos grafitos es el grafito moldeado. En la
fabricación del grafito moldeado, el coque de petróleo calcinado y molido se
mezcla con el ligante (matriz), -normalmente una brea de alquitrán de hulla,
aunque también puede ser de petróleo o resinas fenólicas, epoxi, etc.- en
proporciones aproximadas del 80/20. A continuación se calienta a unos 150 ºC
para fundir el aglomerante y que se mezcle bien con el relleno, y se prensa
mediante diversos procedimientos como la extrusión, moldeado o presión
isostáticagrafitiza a 2600-3000
ºC, finalmente pude tener lugar un proceso de mecanizado. La etapa de prensado
es muy importante ya que determinará la orientación preferencial de los
cristales. En la extrusión, los cristales se alinean en la dirección de la
extrusión, mientras que en el moldeado lo hacen en dirección perpendicular a la
presión. Mediante la presión isostática, la fuerza se aplica por igual en todas
direcciones obteniéndose un producto de naturaleza isótropa a partir del cual
se produce el grafito isótropo de alta densidad.
Otro método para la producción de grafito sintético es el depósito
químico en fase de vapor de metano, acetileno, etileno u otros hidrocarburos
gaseosos sobre un sustrato. Este tipo de grafito es altamente ordenado y se
denomina grafito pirolítico. También es
posible utilizar otros precursores alternativos como la antracita, en vez del
coque de petróleo. Un caso curioso es la grafitización de la poliimida que da
lugar a grafito sintético sin pasar por la fase plástica por la que pasan casi
todos los carbones grafitizables.
La principal aplicación del grafito sintético es la fabricación de
electrodos, para la fundición de metales (principalmente en la industria del
acero), que son utilizados en hornos de arco eléctrico. También se utilizan en
la fabricación de crisoles; componentes eléctricos, como escobillas; ánodos
para baterías de ión litio; diferentes piezas para aplicaciones mecánicas o
químicas; como moderador de neutrones y en diversos elementos de los reactores
nucleares (grafito nuclear); y desde la antigüedad para la fabricación de
lubricantes y en las minas de los lápices.
Los ánodos de carbón para la industria del aluminio, aunque no son
un grafito sintético, se fabrican a partir de precursores similares,
básicamente: coque de petróleo (de menor calidad que para el caso del grafito)
y breas como ligante. Sin embargo los diferentes procesos existentes para la
obtención de estos ánodos tienen lugar a temperaturas menores, por lo que el
material no llega a grafitizar completamente. Estos ánodos se consumen
progresivamente durante la producción del aluminio, lo que representa un
volumen de consumo de este tipo de materiales de carbón de gran importancia a
nivel mundial.
En 1564 una fuerte tormenta derribo unos árboles cerca del poblado
de Borrowdale en Inglaterra, dejando al
descubierto una sustancia negra, de aspecto mineral, desconocida hasta
entonces. Era una veta de grafito natural o plombagina "plomo negro",
como se le denominó entonces por tener el mismo color gris oscuro que el plomo.
Los pastores de los alrededores comenzaron a usar pedazos de este material para
marcar sus ovejas, al tiempo que otros habitantes con visión comercial
comenzaron a partirlo en forma de bastoncillos, que luego vendían en Londres
bajo el nombre de "piedras de marcar". Estos bastoncillos presentaban
dos grandes inconvenientes, se rompían con facilidad y manchaban las manos y
todo lo que tocaban. Al principio, el problema de la suciedad ser resolvió
enrollando un cordón a lo largo del bastoncillo de grafito, para ir quitándolo
a medida que se gastaba, más tarde comenzaron a usarse unos primitos portaminas
hechos de trozos de madera con una
oquedad en la que se insertaba la barra de grafito. A mediados del siglo XVIII,
el grafito se usaba también para la fundición de cañones, por lo que se
convirtió en un mineral estratégico, de manera que robar un trozo de este mineral
podía llegar a castigarse incluso con la pena de muerte. La escasez de grafito
en el resto de Europa obligó a buscar soluciones alternativas a la fabricación
de lápices. En 1760, el químico (en sus
ratos libres) Kaspar Faber, artesano de Bavierar, mezcló el grafito con polvo
de azufre, antimonio y resinas, hasta obtener una masa que, moldeada en forma
de una vara delgada y tras ser horneada, se conservaba más firme que el grafito
puro. Más tarde, se fue mejorando la calidad de estas barritas de grafito al
incorporarle otras sustancias como el azufre y la arcilla. Esta última fue añadida al grafito en 1795 por Nicolás
Jacques Conté, químico, ingeniero,
militar y pintor francés que descubrió la plombagina artificial una mezcla de
grafito y arcilla que usó para la fabricación de lápices por encargo de
Napoleón Bonaparte, dada la escasez que había de ellos a causa de la guerra con
Inglaterra. Añadiendo las cantidades adecuadas de arcilla a la mezcla, pudo
modificar el grado de dureza de estas minas. Así, cuanto más grafito se utilice
más blando y oscuro es el trazo del lápiz. La invención del lápiz también se
atribuye a Josef Hardtmuth, un austriaco inventor de un lápiz hecho a base de
una mezcla de arcilla y polvo de grafito con la que fabricaba unas barritas que
posteriormente cocía y sumergía en un baño de cera que recubría la mina
permitiendo que el grafito dejara rastro en el papel. En 1792 Hardtmuth fundó
su propia empresa en Viena. En 1812 William Monroe, un ebanista de Concord
(Massachussets), fabricó una máquina que producía tablillas semicilíndricas de
madera de cedro, de 16 a 18 centímetros de longitud. A lo largo de las mismas
el aparato marcaba estrías en el centro del delgado semicilindro. Monroe unía
con cola las dos partes de madera, pegándolas en torno una mina hecha con una
mezcla de grafito y arcilla. Así fue como nació el lápiz tal y como lo
conocemos en la actualidad.
El bolígrafo espacial Fisher fue desarrollado para uso en el
espacio. Los bolígrafos convencionales dependen de la gravedad para que fluya
la tinta a la punta de bola. En el caso de este bolígrafo espacial, el cartucho
de tinta contiene gas presurizado que impulsa la tinta hacia la punta de bola.
Además, emplea una tinta especial que funciona en ambientes muy calientes y muy
fríos. Si bien parece ser que es incierto que este invento representase un gran
coste para la NASA; lo cierto es que la agencia rusa (RKA) solucionó el
problema con un simple lápiz!
La mina que se muestra en el anterior video corresponde a una
innovación fruto de un proyecto conjunto entre el Laboratorio
Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica (Liec) de la Universidad
Federal de São Carlos (UFSCar), la multinacional alemana Faber-Castell. Ésta
consistió en llenar los poros y las fisuras formadas en la estructura de las
minas de grafito, durante la etapa de quema o sinterización, con un
nanocompuesto organometálico. De esta forma se obtiene un grafito más
resistente y sin alteración en la intensidad de la marca de la mina sobre el
papel.
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| Img 3. Bomba de Grafito |
La bomba de grafito es un arma no letal que se utiliza para neutralizar las centrales
de distribución eléctrica sin destruirlas y sin provocar graves daños en su
estructura y equipos. La bomba está formada por varios cilindros de unos 20
centímetros de largo por 5 de diámetro rellenos con unos delgados filamentos de
grafito y otros compuestos conductores que al ser dispersados forman una densa
nube conductora de la electricidad. Alrededor de 200 de estos cilindros
(sub-municiones) se cargan en un dispersado táctico, que se abre a una
determinada altura programada. Cada sub-munición posee un pequeño paracaídas
que orienta y ralentiza la caída del cilindro (ver imagen 3). A una determinada altura se
detona una pequeña carga explosiva, lo que provoca que la sub-munición se abra
dispersando la masa de filamentos de grafito y produciendo una nube de dichos
filamentos. Cuando la nube entra en contacto con los cables de alta tensión y
otros aparatos como transformadores, los cortocircuito vaporizándose el grafito
y aumentando su conductividad provocando arcos eléctricos. Dependiendo de las
características de la instalación, ésta sufrirá daños de diversa consideración
pudiendo llegar los arcos eléctricos a fundir los conductores y otros elementos
antes de que cese el fluido eléctrico. Esta arma se utilizó en el año 1999 en
la guerra contra Serbia provocando un
apagón en el 70 por ciento del país en solo un día.
Referencia Bibliográfica:
Ralph H. Petrucci. Willim S. Harwood y F. Geoffrey Herring (2003). Química General. 8va edicion,.
http://es.wikipedia.org/wiki/Grafito
http://elminerodigital.blogspot.com/2009/08/descubrimiento-del-lapiz.html
http://www.portierramaryaire.com/arts/futuro_3.php
Referencia Bibliográfica:
Ralph H. Petrucci. Willim S. Harwood y F. Geoffrey Herring (2003). Química General. 8va edicion,.
http://es.wikipedia.org/wiki/Grafito
http://elminerodigital.blogspot.com/2009/08/descubrimiento-del-lapiz.html
http://www.portierramaryaire.com/arts/futuro_3.php
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