Grafito Explicado: Definición, Tipos y Aplicaciones
¿Qué es el Grafito?
El grafito, arcaicamente referido como plumbago, es una forma blanda y cristalina de carbono con sus átomos dispuestos en una estructura hexagonal. El grafito es una forma natural de carbono cristalino. Es un mineral de elemento nativo encontrado en rocas metamórficas e ígneas. El grafito es un mineral de extremos.
El grafito es un mineral que se forma cuando el carbono es sometido a calor y presión en la corteza terrestre y en el manto superior. Presiones en el rango de 75.000 libras por pulgada cuadrada y temperaturas en el rango de 750 grados Celsius son necesarias para producir grafito. Estos corresponden a las facies metamórficas de granulita. Bajo altas presiones y temperaturas, se convierte en diamante.
Es gris a negro, opaco y tiene brillo metálico, es flexible pero no elástico. Exhibe propiedades de un metal y un no metal, lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones industriales. Las propiedades metálicas incluyen conductividad térmica y eléctrica. Las propiedades no metálicas incluyen inercia, alta resistencia térmica y lubricidad.
El grafito se usa en lápices y lubricantes. Es un buen conductor de calor y electricidad. Su alta conductividad lo hace útil en productos electrónicos como electrodos, baterías y paneles solares.
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¿Quién descubrió el grafito?
El grafito fue sintetizado accidentalmente por primera vez por Edward G. Acheson cuando realizaba experimentos de alta temperatura con carborundum. Descubrió que alrededor de 4.150 °C (7.500 °F) el silicio en el carborundum se evapora y el carbono permanece en forma gráfica.
Acheson obtuvo una patente para la producción de grafito en 1896, y la producción comercial comenzó en 1897. Desde 1918, el coque de petróleo, pequeños cristales de grafito imperfectos rodeados de compuestos orgánicos, ha sido la materia prima principal para la producción de grafito puro al 99-99,5%.
¿Qué color es el grafito?
El grafito varía en color de gris a negro y es tanto opaco como metálico en apariencia. Está compuesto de átomos de carbono y puede considerarse carbón en su grado más alto, aunque no se usa típicamente como combustible.
El grafito es un color gris medio. Como nombre de color, se usa indistintamente con "carbón". Se refiere al "plomo" en lápices de madera, que en realidad están hechos de pigmento a base de grafito y aglutinante de arcilla.
El grafito, un tono de gris, es un color básicamente sin emoción. Desapegado, neutral e indeciso, es una transición entre blanco y negro.
Estructura del Grafito
El grafito tiene una estructura en capas que consiste en anillos de seis átomos de carbono dispuestos en láminas horizontales ampliamente espaciadas. El grafito cristaliza así en el sistema hexagonal, en contraste con el mismo elemento cristalizando en el sistema octaédrico o tetraédrico como diamante.
El grafito consiste en capas de átomos de carbono dispuestos en anillos hexagonales de 6 miembros. Estos anillos están conectados entre sí en sus bordes. Capas de anillos fusionados pueden modelarse como una serie infinita de anillos de benceno fusionados (sin átomos de hidrógeno).
Los átomos de carbono en estos arreglos de anillos están en estado hibridizado sp². En el modelo de orbital molecular sp², cada átomo de carbono está unido a tres otras especies, en el caso del grafito tres átomos de carbono más. En este modo de enlace, el ángulo de enlace entre átomos de carbono adyacentes es 120°.
Estos "arreglos de anillos" se disponen en grandes capas de átomos de carbono, y las capas individuales se llaman capas de grafeno. La longitud de enlace carbono-carbono en un plano de capa es 1,418. Las capas de grafito se apilan una sobre otra paralelas al eje cristalográfico "C" del sistema hexagonal de 4 ejes en el que cristaliza el grafito.
Propiedades del Grafito
El grafito es un alotropo de carbono que se usa para fabricar barras moderadoras en plantas de energía nuclear. Sus propiedades son las siguientes:
- Sustancia grisácea negra, opaca.
- Más ligero que el diamante, liso y resbaladizo al tacto.
- Buen conductor de electricidad (debido a la presencia de electrones libres) y buen conductor de calor.
- Sólido cristalino
- Muy jabonoso al tacto.
- No inflamable.
- Blando debido a débiles fuerzas de Van der Waals.
- Conductor de electricidad.
Propiedades físicas del grafito
El grafito tiene un alto punto de fusión, similar al del diamante. Para fundir grafito, no basta con aflojar una lámina de otra. Hay que romper el enlace covalente a lo largo de toda la estructura.
Es blando y resbaladizo al tacto y se usa en lápices y como lubricante seco para cosas como cerraduras. Puedes pensar en el grafito más como una baraja de cartas – cada carta es fuerte, pero las cartas se deslizan unas sobre otras o incluso se caen del paquete por completo. Cuando usas un lápiz, las láminas se frotan y se pegan al papel.
También tiene una densidad menor que el diamante. Esto se debe a la cantidad relativamente grande de espacio que se "desperdicia" entre las láminas.
Es insoluble en agua y disolventes orgánicos – por la misma razón que el diamante es insoluble. La fuerza de atracción entre moléculas de disolvente y átomos de carbono nunca será lo suficientemente fuerte para superar los fuertes enlaces covalentes en el grafito.
El grafito conduce electricidad. Los electrones deslocalizados pueden moverse libremente a través de las láminas. Cuando un trozo de grafito se une a un circuito, los electrones pueden caer de un extremo de la lámina y ser reemplazados por nuevos en el otro extremo.
Propiedades químicas del Grafito
| Color | Negro hierro a gris acero; azul profundo en luz transmitida |
| Clasificación Química | Elemento nativo |
| Raya | Negra |
| Brillo | Metálico, a veces terroso |
| Diafanidad | Opaco |
| Exfoliación | Perfecta en una dirección |
| Dureza de Mohs | 1 a 2 |
| Gravedad Específica | 2,1 a 2,3 |
| Propiedades Diagnósticas | Color, raya, tacto resbaladizo, gravedad específica |
| Composición Química | C |
| Sistema Cristalino | Hexagonal |
Tipos de Grafito
Los diferentes tipos de grafito:
- Grafito Natural
- Grafito Cristalino Alto
- Grafito Amorfo
- Grafito en Escamas
- Grafito Sintético.
1. Grafito Natural
El grafito natural es una forma mineral de carbono gráfico. Varía considerablemente en cristalinidad. La mayor parte del grafito comercial se extrae y generalmente contiene otros minerales. Después de extraer el grafito, generalmente requiere una cantidad considerable de procesamiento mineral como flotación por espuma para concentrar el grafito.
El grafito natural es un excelente conductor de calor y electricidad que es estable en un amplio rango de temperatura y es un material de alta resistencia con un alto punto de fusión de 3.650 °C. Se usa principalmente para refractarios, baterías, fabricación de acero, grafito expandido, revestimientos de frenos, caras de fundición y lubricantes.
El grafito natural está disponible en tres formas, todas procesadas a partir de material de grafito de origen natural. Las tres formas tienen cada una propiedades únicas que las hacen adecuadas para ciertas aplicaciones.
1.1 Grafito Cristalino (Venoso)
Se dice que el grafito cristalino venoso o en bultos se considera la forma más rara, valiosa y de mayor calidad de grafito natural. Se forma por deposición directa de carbono gráfico sólido a partir de fluidos subterráneos de alta temperatura como petróleo crudo y se ha convertido en grafito por tiempo, temperatura y presión.
Sri Lanka es la única jurisdicción que actualmente produce grafito cristalino venoso. El grafito venoso cristalino es fácil de moldear y puede formarse en formas sólidas sin ayuda de aditivos aglutinantes, resultando en ahorros de costos significativos sobre materias primas de menor calidad.
Las grietas de grafito cristalino venoso típicamente tienen un espesor entre 1 cm y 1 m y usualmente tienen pureza de más de 90% Cg. Tiene pureza de 95-99% carbono sin refinar. Es adecuado para muchos usos como grafito en escamas y proporciona ventaja competitiva distinta en términos de precios de mercado y aplicaciones de producto como lubricantes, baterías, ruedas de esmerilado y metalurgia de polvos.
1.2 Grafito Amorfo
El grafito amorfo se forma comúnmente por metamorfismo de contacto entre una veta de carbón antracita y un agente metamórfico. El resultado es grafito microcristalino, comúnmente conocido como grafito amorfo. El grafito amorfo es el más limitado entre los grafitos naturales. El contenido de grafito varía entre 25% y 85% dependiendo del entorno geológico.
Se encontró como partículas extremadamente pequeñas, similares a cristales, en lechos de rocas mesomórficas como carbón, pizarra y pizarra. La pureza de carbono comparativamente baja varía entre 70 y 85% carbono después de refinar. No es visible a menos que se vea bajo aumento.
Se usa para productos de grafito de baja calidad como lápices, lubricantes, refractarios, fabricación de pintura, metalurgia, recubrimientos, pastillas de freno y aditivos de caucho. Es la forma más barata de grafito. Grandes depósitos de grafito amorfo se encuentran en China, México y Estados Unidos.
1.3 Grafito en Escamas
El grafito natural en escamas se forma cuando el material de carbono se expone a alta presión y temperatura. El material fuente de carbono puede ser orgánico o inorgánico, aunque la mayor parte del grafito en escamas comercialmente disponible se deriva de depósitos orgánicos. La presión requerida es usualmente mayor a 1 gigapascal y la temperatura requerida usualmente mayor a 750 grados Celsius.
El grafito en escamas puede encontrarse en rocas metamórficas distribuidas uniformemente a través del cuerpo de mineral o en bolsas lenteiformes concentradas. El rango de concentraciones de carbono varía entre 5% y 40%. El grafito en escamas puede encontrarse como forma laminar o escamosa en ciertas rocas metamórficas como caliza, gneis y esquistos.
La flotación por espuma se usa para extraer grafito en escamas. El grafito "flotado" tiene contenido de grafito del 80-90%. Más del 98% de la capa se hizo usando procesos de preparación química de grafito. El grafito en escamas puede encontrarse en muchos lugares del mundo.
2. Grafito Sintético
El grafito sintético puede generarse a partir de coque y brea. Aunque este grafito no es tan cristalino como el grafito natural. Es posible tener grafito pirolítico altamente ordenado u orientado (HOPG) que se refiere a grafito con una dispersión angular entre las láminas de grafito de menos de 1°.
Básicamente hay dos tipos de grafito sintético. Uno es electrografito, carbono puro producido a partir de brea de alquitrán de hulla y coque de petróleo calcinado en horno eléctrico. El segundo es grafito sintético, creado calentando brea de petróleo calcinada a 2.800 °C.
Básicamente, el grafito sintético tiene mayor resistencia eléctrica y porosidad, y menor densidad. Su porosidad mejorada lo hace inadecuado para aplicaciones refractarias.
El grafito sintético contiene principalmente carbono gráfico que se ha logrado por grafitización, tratamiento térmico de carbono no gráfico, o deposición de vapor químico de hidrocarburos a temperaturas sobre 2.100 K.
Aplicación del grafito sintético: aplicaciones aeroespaciales, cepillos de carbono, electrodos de grafito, baterías y barras moderadoras en plantas de energía nuclear. El alto nivel de porosidad del grafito sintético lo hace inadecuado en aplicaciones refractarias.
Usos del Grafito
El grafito se ha usado desde la antigüedad. Tiene una amplia gama de aplicaciones en el mundo moderno también.
Veamos algunos usos comunes del grafito a continuación:
- Materiales de Escritura
- Lubricantes
- Refractarios
- Reactores Nucleares
- Baterías
- Láminas de Grafeno
1. Materiales de Escritura
La palabra grafito viene del griego que se traduce como 'escribir'. Así que el uso más común del grafito es en la fabricación de la mina de los lápices. Esta mina es una mezcla de arcilla y grafito que está en forma amorfa.
2. Lubricantes/Repelentes
El grafito es uno de los ingredientes principales en lubricantes como grasa, etc. Este mineral reacciona con el vapor de agua atmosférico y crea una película delgada o capa sobre la superficie aplicada reduciendo así la fricción. El grafito también se usa en frenos y embragues de coche.
La forma en polvo de grafito en bultos también se usa en pinturas. ¿Por qué? Bueno, el grafito por naturaleza es repelente al agua. Así que ofrece un recubrimiento protector en madera y otras superficies.
3. Refractarios
Debido a su alta tolerancia al calor e inmutabilidad, el grafito es un material refractario ampliamente usado. Encuentra su uso en la industria manufacturera y ayuda en la producción de vidrio y acero así como en el procesamiento de hierro.
4. Reactores Nucleares
El grafito puede absorber neutrones de movimiento rápido. Como resultado, se usa en reactores para estabilizar reacciones nucleares.
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5. Industria Eléctrica
El grafito en escamas cristalinas se usa en la fabricación de electrodos de carbono, cepillos y placas necesarios en baterías de celda seca e industria eléctrica. Curiosamente, el grafito natural también se procesa en grafito sintético. Este tipo de grafito es útil en baterías de iones de litio.
6. Láminas de Grafeno
El grafito puede usarse para hacer láminas de grafeno. Se dice que estas láminas son 100 veces más fuertes y 10 veces más ligeras que el acero. Este derivado del grafito se usa además en la fabricación de equipos deportivos ligeros y fuertes. Muchos están considerando aplicaciones futuras en el campo médico y aeroespacial.
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Referencia:
Materiales de grafito: usgs.gov
Preguntas Frecuentes
¿Qué es el Grafito?
El grafito, arcaicamente referido como plumbago, es una forma blanda y cristalina de carbono con sus átomos dispuestos en una estructura hexagonal. El grafito es una forma natural de carbono cristalino. Es un mineral de elemento nativo encontrado en rocas metamórficas e ígneas. El grafito es un mineral de extremos.
¿Cuáles son los tipos de grafito?
Grafito Natural: Las tres formas son grafito amorfo, grafito en escamas y grafito cristalino venoso, y cada una tiene propiedades únicas que las hacen adecuadas para ciertas aplicaciones.
¿Quién descubrió el grafito?
El grafito fue sintetizado accidentalmente por primera vez por Edward G. Acheson mientras realizaba experimentos de alta temperatura en carborundum. Descubrió que a unos 4.150 °C (7.500 °F) el silicio en el carborundum se vaporizaba, dejando el carbono atrás en forma gráfica.
¿Para qué se usa el grafito?
El grafito también se usa en lápices, fabricación de acero y en electrónica como smartphones. Quizás su aplicación más importante es la batería de iones de litio, donde el grafito supera incluso al litio como ingrediente clave. En realidad hay 10 a 30 veces más grafito que litio en una batería de iones de litio.
¿De qué está hecho el grafito?
El grafito está hecho de carbono puro. Los átomos de carbono son capaces de formar enlaces que crean varias estructuras diferentes. El diamante y el grafito son dos de las formas (alótropos) más conocidas de carbono.
¿Qué es especial del grafito?
Es único en que tiene propiedades tanto de un metal como de un no metal: es flexible pero no elástico, tiene alta conductividad térmica y eléctrica, y es altamente refractario e químicamente inerte. El grafito tiene baja adsorción de rayos X y neutrones, lo que lo hace un material particularmente útil en aplicaciones nucleares.
¿Dónde se encuentra el grafito?
El grafito se encuentra más a menudo como escamas o capas cristalinas en rocas metamórficas como mármol, esquistos y gneises. El grafito también puede encontrarse en esquistos ricos en materia orgánica y lechos de carbón. En estos casos, el grafito probablemente resultó del metamorfismo de materia vegetal y animal muerta.
¿El grafito es bueno para la piel?
Los grafitos se usan en homeopatía para personas con trastornos cutáneos a largo plazo y piel cuerosa, agrietada. Solo hay evidencia anecdótica de que puede ayudar a síntomas de psoriasis.
¿El grafito se usa como lubricante?
El grafito se ha usado durante muchos años como lubricante. Se cree que el mecanismo lubricante del grafito es de naturaleza mecánica y resulta del deslizamiento de una partícula de grafito sobre otra. El grafito puede usarse como lubricante seco o dispersarse en aceite lubricante.
¿Cómo conviertes carbón en grafito?
En un horno microondas, se generan chispas dentro de un vial de vidrio que contiene polvo de carbón. Usando lámina de cobre, recipientes de vidrio y un horno microondas convencional, investigadores de la Universidad de Wyoming demostraron que polvo de carbón pulverizado puede convertirse en nano-grafito de mayor valor.
¿El grafito es más fuerte que el acero?
El grafeno, un material que consiste en una sola capa de átomos de carbono, ha sido proclamado como el material más fuerte conocido, 200 veces más fuerte que el acero, más ligero que el papel y con propiedades mecánicas y eléctricas extraordinarias.
¿El grafito es una sustancia?
El grafito es un alotropo de carbono. Es una sustancia blanda, grisácea negra y opaca compuesta de átomos de carbono.
¿Qué puede fundir el grafito?
El grafito en realidad no se funde a presiones normales. Como el dióxido de carbono, pasa directamente del estado sólido al gaseoso. Así que el grafito no tiene punto de fusión hasta que llegas a unas 100 atmósferas.
¿Quién produce grafito?
Aunque China es el principal productor mundial de grafito, las reservas de grafito del país son las segundas más grandes del mundo. El país con el mayor volumen de reservas de grafito en el mundo es Turquía. En 2020, tenían aproximadamente 90 millones de toneladas métricas de reservas de grafito natural.
¿Dónde está el grafito más puro del mundo?
Sri Lanka. La minería de grafito en Sri Lanka ha ocurrido desde la ocupación holandesa del país. Es el único país en el mundo que produce la forma más pura de grafito, grafito venoso (también conocido como grafito en bultos), en cantidades comerciales, que actualmente representa menos del 1% de la producción mundial de grafito.
¿El grafito bloquea la radiación?
Las películas de grafito pueden proteger dispositivos electrónicos de radiación electromagnética (EM), pero las técnicas actuales de fabricación toman varias horas y requieren temperaturas de procesamiento alrededor de 3.000 °C.
¿Cuáles son los efectos secundarios del grafito?
Efectos de sobreexposición: La inhalación repetida de grafito natural durante varios años puede causar cicatrización de pulmones con síntomas como opresión en el pecho, dificultad para respirar, tos, esputo negro y dolor.
¿Por qué se usa grafito en lápices?
El grafito tiene estructuras en capas unidas por fuerzas de Van der Waals. El grafito se desliza fácilmente entre las capas y por eso es muy blando y resbaladizo. Por esta razón, se usa en lápices y como lubricante en máquinas que funcionan a altas temperaturas.
¿Por qué el grafito es un excelente lubricante?
Los átomos de carbono están fuertemente unidos en láminas. Como los enlaces entre las láminas son débiles, el grafito muestra menor resistencia al corte bajo fuerza de fricción. Así puede usarse como lubricante sólido y se ha convertido en uno de los materiales de lubricación sólida tradicionales y primarios.
¿Por qué el grafito puede usarse como lubricante pero el diamante no?
Debido a su blandura y naturaleza no volátil, el grafito se usa como lubricante en partes de maquinaria de movimiento rápido. Se usa para lubricar partes de maquinaria que operan a altas temperaturas. El diamante, por otro lado, es una sustancia extremadamente dura; por tanto, no puede usarse como lubricante.
¿Por qué el grafito es diferente del diamante?
El grafito y el diamante son dos de los minerales más interesantes. Son idénticos químicamente – ambos están compuestos de carbono (C), pero físicamente son muy diferentes. … El grafito es muy blando y tiene dureza de 1 a 2 en esta escala. Los diamantes son la sustancia natural más dura conocida y tienen dureza de 10.
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