10.2: Otras Formas de Carbono

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El diamante es solo una forma en la que se puede encontrar carbono elemental. Otras formas incluyen grafito, lonsdaleita y fullerenos.

Grafito

El grafito es un mineral que, al igual que el diamante, está compuesto por carbono. Sin embargo, los átomos de carbono en el grafito están dispuestos de una manera diferente a la que están en el diamante. Hay consecuencias significativas para las propiedades relativas del diamante y el grafito.

Lámina de grafito, compuesta por arreglos hexagonales de carbono.

El grafito no es tan duro como el diamante. Tiene una dureza de aproximadamente 1.5 en la escala de Mohs, en comparación con la calificación 10 del diamante. Esa diferencia se relaciona con el hecho de que el grafito está compuesto por láminas separadas, llamadas láminas de grafeno, mientras que el diamante está firmemente unido en tres dimensiones. Una fuerza ejercida sobre el grafito puede desplazar fácilmente una capa lejos de sus vecinos.

Sin embargo, el grafito no es igual de duro en todas las direcciones. Si se ejerce una fuerza paralela a las láminas de grafeno, se puede mover una lámina con respecto a la siguiente. Eso no es cierto perpendicular a las sábanas. En la imagen, las hojas podrían deslizarse en las direcciones x e y pero no en la dirección z.

Hojas de grafito que se extienden en las direcciones x, y y z.

Esa idea general es cierta en otros materiales. Incluso el diamante no es igual de duro en todas las superficies. Los minerales suelen tener formas típicas porque se escinden más fácilmente a lo largo de planos específicos, pero son más difíciles de romper a lo largo de otros.

Otras propiedades también dependen del plano del cristal en los sólidos de la red. Por ejemplo, el grafito también es un conductor de la electricidad a lo largo de sus planos de grafeno, pero no perpendicular a ellos.

Lonsdaleita

La lonsdaleita es nombrada en honor a Kathleen Lonsdale, la cristalógrafa irlandesa que demostró por primera vez la estructura plana del benceno mediante difracción de rayos X. Es una forma muy rara de carbono generado durante el impacto de meteoros que contienen grafito. En la alta energía del impacto, las capas de grafito se fusionan para formar una estructura que a primera vista se parece mucho al diamante. A continuación se muestra un boceto aproximado de la estructura de la lonsdaleita.

Estructuras de línea de unión de lonsdaleita, formando conformaciones tipo silla de anillos hexagonales de carbono.

La lonsdaleita formada en la naturaleza es mucho más suave que el diamante, probablemente porque la naturaleza caótica de su origen deja muchos dominios similares al grafito incrustados en la lonsdaleita. En lugar de tener enlaces espaciados regularmente por todo el material, probablemente haya porciones defectuosas en las que parte de una capa aún no esté conectada de la siguiente. Tiene una dureza de aproximadamente 8 en la escala de Mohs.

Fullerenos

Los fullerenos son una forma de carbono elemental que realmente no cae completamente dentro de la categoría de sólidos de red. Son un poco como sólidos de red pero sí forman unidades discretas, por lo que son realmente moléculas. Un fullereno es un poco como una pequeña lámina de grafito que se ha curvado en una bola. Las formas de las esféricas se asemejan a las Cúpulas Geodésicas diseñadas por el arquitecto Buckminster Fuller en la década de 1960; ahí es donde obtienen su nombre. Los fullerenos esféricos también se llaman buckyballs.

Ejemplo de un fullereno, una estructura tridimensional compuesta por anillos pentagonales y hexagonales de carbono.

Los fullerenos fueron descubiertos por primera vez en la década de 1990 por Harold Kroto. Hubo una prisa por desarrollar nuevas aplicaciones para los materiales. Por ejemplo, la gente ha propuesto usar buckyballs como lubricantes (como pequeños rodamientos de bolas, rodarían entre dos superficies). Gran parte del interés en esta área, sin embargo, se ha centrado en las propiedades electrónicas potenciales de estos materiales.

Los nanotubos de carbono son conceptualmente similares a los fullerenos. En lugar de ser esféricas, tienen forma de tubo. También pueden ser pensadas como láminas de grafito que han sido curvadas en una nueva forma.

Sección de un nanotubo de carbono, un tubo formado por anillos hexagonales de carbono.

Carbón y otras formas de carbono

Muchas otras formas de carbono que se encuentran comúnmente en la tierra no son carbono puro. A menudo pensamos en el carbón como equivalente al carbono, noción que se ve reforzada por el conocimiento común de que los diamantes son el resultado de inmensas presiones geológicas y altas temperaturas que actúan sobre vetas de carbón durante largos períodos de tiempo. El carbón en realidad viene en muchos grados diferentes que contienen cantidades variables de carbono.

El lignito o “lignito” puede contener tan poco como 60% de carbono. El resto está compuesto por cantidades variables de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, todos los cuales son elementos comunes que se encuentran en las cosas vivas u “orgánicas”. El grado más valioso de carbón, la antracita, contiene más del 90% de carbono. Hay diferentes grados en el medio.

¿Por qué el carbón contiene todos esos elementos que se encuentran en los seres vivos? El carbón se forma a partir de la compresión de material orgánico en escalas de tiempo geológicas. La mayoría de los átomos presentes en ese material orgánico siguen presentes en el carbón.

Otros materiales no vivos pero orgánicos son importantes desde el punto de vista ecológico y agrícola. A medida que la materia vegetal y animal se descompone, eventualmente se convierte en "humus" (hyoo-muss) o el material orgánico del suelo. El humus proviene de aquellas porciones de material orgánico que no se descomponen fácilmente. El humus contiene una cantidad significativa de carbono, además de hidrógeno y oxígeno. Diferentes tipos de suelos contienen diferentes niveles de humus, lo que confiere propiedades variables al suelo como la retención de humedad y nutrientes.

El carbón y el humus no son exactamente sólidos de red. Lo que los fullerenos tienen en común con los sólidos de la red es un patrón regular y cristalino de enlaces covalentes que se extienden a través del sólido, pero tienen un tamaño limitado. El carbón y el humus demuestran un caso contrario: no tienen un tamaño limitado y sus redes enlazadas pueden extenderse aparentemente sin cesar, pero no hay nada regular o repetido sobre su estructura. En cambio, estos materiales son sólidos extendidos “amorfos”.

Los materiales cristalinos muestran patrones que se repiten regularmente en tres dimensiones
Los materiales amorfos no muestran patrones regulares en ninguna dirección; están dispuestos aparentemente al azar