ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL GRAFITO STUDY OF THE PHYSICAL PROPERTIES OF GRAPHITE Autor 1. Milton Jácome Autor 2. Alvaro Pérez Autor 3. Wendy Heredia 1 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Riobamba, Ecuador. RESUMEN Palabras claves: Grafito, conductividad eléctrica, semiconductor, ABSTRACT Keywords: Graphite, electrical conductivity, semiconductor, INTRODUCIÓN La palabra “grafito” proviene de la palabra griega “graphein”, la cual significa “para escribir”. Desde los inicios de la historia se ha usado este material tanto para escribir como para dibujar y los primeros lápices hechos de este material se fabricaron en Inglaterra en el siglo XV (N. Cabrera et al. 2018). El grafito es una estructura cristalina del carbono formado por capas u hojas basales de átomos de carbono de empaque compacto y es la forma más estable del carbono (Hinojosa Cachimuel, E. M., 2020). Además de producir lápices, el grafito tiene diversas aplicaciones en la industria automotriz, metalúrgica, electrónica, entre otros. (Cárdenas Forero, L. C., & Esguerra Arce, A., 2021). GRAFITO Este material está formado exclusivamente por átomos de carbono, y se trata de hecho de una de las formas alotrópicas en que se puede presentar este elemento, junto con el diamante, el fullereno y otros, como el grafeno (Callister, 2016). También está estructurado de series de planos apilados de capas paralelas como se muestran en la Figura 1, con el enlace trigonal sp2. Figura 1: Estructura cristalina de grafito que muestra la secuencia de apilamiento ABAB y la unidad de celda. Fuente: (Cabrera et al, 2018) En cada capa el átomo de carbono se une a otros tres, formando una serie de hexágonos continuos se considera una molécula bidimensional infinita. El enlace es covalente y tiene una longitud corta (0.141 nm), con una alta resistencia (524 kJ/mol). El cuarto electrón de valencia hibridado se empareja con otro electrón deslocalizado del plano adyacente por un enlace de Van der Waals mucho más débil de solo 7 kJ/mol. El espacio entre los planos es relativamente grande (0.335 nm) o más del doble del espacio entre los átomos dentro del plano basal y aproximadamente el doble del radio de Van der Waals del carbono. El apilamiento de dichos planos puede darse de 2 maneras: hexagonal y romboédrico (Cabrera et al. 2018). Los electrones que se encuentran entre capa y capa son los que conducen la electricidad y éstos también son los que le dan el brillo al grafito ya que la luz se refleja sobre la nube electrónica. Tiene excelentes propiedades de resistencia al desgaste, especialmente con metales blandos. El grafito no es soluble en agua y no se derrite a altas temperaturas, sino que pasa al estado gaseoso directamente (sublimación) a temperaturas mayores de 3,800°C (HINOJOSA, 2020). Grafito natural El grafito natural se clasifica en cristalino (escamoso y veta) y amorfo (microcristalino). El cristalino escamoso es una estructura formada por láminas que están separadas en rocas metamórficas como el mármol, neis, esquisto, cuarzo, cuarcita con feldespato o mica. Depende de su ubicación y las condiciones en la que se encuentre se pueden encontrar variaciones en dureza, grosor, densidad y forma (Cárdenas and Esguerra 2021). En la figura 2 se puede observar el grafito cristalino escamoso. Figura 2: Grafito escamoso. Fuente: (Cárdenas and Esguerra, 2021) El cristalino veta se localiza en forma de vetas hidrotermales o apilado a lo largo de las superficies de contacto entre pegmatitas y calizas. Las mismas que varían en dimensión desde unos cuantos milímetros a más de 2 metros (Cárdenas and Esguerra 2021). El cristalino amorfo se encuentra en forma de partículas microcristalinas más o menos uniformemente distribuidas en rocas metamórficas suaves como pizarras y filitas, que tiene una apariencia terrosa, negra y suave (Cárdenas and Esguerra 2021). En la figura 3 se observa el grafito amorfo. Figura 3: Grafito amorfo. Fuente: (Cárdenas and Esguerra, 2021). Grafito Sintético El grafito sintético existe dos formas: isotrópico y pirolítico. El isotrópico es generado por la mezcla de coque de petróleo y un aglomerante a baja temperatura; dichos elementos se funden, se prensan, se carbonizan y se grafitizan. (Cárdenas and Esguerra 2021). Figura 4: Grafito sintético isotrópico. Fuente: (Cárdenas and Esguerra, 2021). Grafito sintético pirolítico se obtiene a través del depósito de carbono a temperaturas superior a los 1800 °C o por tratamiento térmico de grafitización. Figura 5: Grafito sintético pirolítico: Fuente: (Cárdenas and Esguerra, 2021). ESTRUCTURA Y ENLACE En el grafito los átomos de carbono forman anillos de seis lados, que se unen entre sí como si fuesen baldosas hexagonales, dando lugar a láminas planas. Cada una de estas láminas se denomina grafeno (Fernández Ramos 2017). Cada átomo de carbono tiene tres vecinos cercanos, dispuestos en ángulos de 120º, y con los que comparte un par de electrones con cada uno de ellos. El cuarto electrón de valencia de cada átomo se encuentra también enlazado, pero de forma más débil y no localizada, dando lugar a estructuras de enlaces resonantes. Son estos electrones deslocalizados los que permiten la conducción eléctrica a lo largo de una lámina, y los responsables del color negro, con brillo metálico, característico del grafito. Las distintas láminas se mantienen unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals (Castro 2019). Figura 6: Grafito. Fuente: (Castro, 2019) FORMACIÓN DE BANDAS Como se muestra en la Figura 7, no hay banda prohibida. Los electrones de la banda de valencia tienen la misma energía que los estados vacíos de la banda de conducción, por lo que pueden moverse generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente es un buen conductor (Trainer et al. 2019). Figura 7: Diagrama de bandas de Grafito. Fuente: (Trainer et al, 2019) PROPIEDADES Las propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas de los cristales del grafito son anisótropas. Las propiedades físicas y mecánicas del grafito varían ampliamente de unos productos a otros. La densidad teórica, calculada a partir de las constantes reticulares, es de 2,26 g por cm3, valor al cual se aproxima la densidad del grafito natural (Cabrera et al. 2018). Las propiedades físicas de este material se describen en base a experimentos de arco de carbono que son difíciles de interpretar, los resultados que se obtuvieron se pueden observar en la Tabla 1. Tabla 1: Propiedades físicas de grafito. Fuente: (Cabrera et el, 2011) Como se observa en la Tabla 1, la densidad del cristal perfecto es la densidad teórica. La mayoría de los materiales van a tener densidades menores por la presencia de imperfecciones estructurales como: porosidad y dislocaciones. En el punto de fusión del material es la temperatura del estado sólido que está en equilibrio con el líquido en una determinada presión, donde la fusión normal se da en una presión de una atmosfera; el grafito no tiene punto fusión normal, ya que a una atmosfera no se funde, pero sublima cuando la temperatura alcanza aproximadamente 4000 K, para observar la fusión la presión debe ser de 100 atm y temperatura de 4200 K. El punto triple se da a la temperatura de 4200 K y presión de 100 atm como se observa en la curva de presión de vapor (Cabrera et al. 2018). Figura 8: Presión de valor y punto triple. Fuente: (Cabrera et al, 2018) Las propiedades físicas revisadas anteriormente no se ven esencialmente afectadas por el tamaño y la orientación de los cristales (con la excepción de la densidad). Como resultado, pueden ser consideradas válidas para todas las formas de grafito. Esto ya no es cierto para algunas de las propiedades enumeradas en esta y las siguientes secciones, y estas propiedades pueden variar considerablemente según el tamaño y la orientación del cristal y otros factores relacionados con las condiciones de procesamiento. Las propiedades térmicas se resumen en la Tabla 2. Cuando es posible, se da un rango de valores de la propiedad (Cabrera et al. 2018). Tabla 1: Propiedades térmicas del grafito. Fuente: (Cabrera et el, 2011) Las propiedades térmicas de conductividad y expansión son fuertemente influenciadas por la anisotropía del cristal de grafito. La conductividad térmica (K) es la tasa de tiempo de transferencia de calor por conducción. En el grafito, ocurre esencialmente por vibración de la red y está representado por la siguiente relación (ecuación de Debye): K = b.Cp.v.L Donde: b = es una constante Cp = calor específico por unidad de volumen del cristal v = velocidad de onda acústica transportadora de calor (fonón) L = ruta libre media para dispersión de onda La conductividad térmica de un cristal de grafito ha sido reportada como alta con 4180 W / m.K en las direcciones ab para grafito pirolítico altamente cristalino. Sin embargo, el valor promedio para el grafito pirolítico comercial es considerablemente más pequeño (aproximadamente 390 W / m.K). Aun así, este es un alto valor y el grafito, en las direcciones ab, se puede considerar un buen conductor térmico comparable a los metales y cerámicas de alta conductividad. La conductividad térmica en la dirección c es aproximadamente 2.0 W / m.K y, en esa dirección, el grafito es un buen aislante térmico, comparable a plástico fenólico (Cabrera et al. 2018). Las propiedades eléctricas del grafito se utilizan en el sector de la electrónica actualmente es uno de los que más se está utilizando por su a alta conductividad eléctrica y térmica. Posee una excelente capacidad para permitir el desplazamiento de campos eléctricos. Se debe a que su estructura de hibridación sp2, que forma una red hexagonal de átomos de carbono dejando un cuarto enlace más débil perpendicular al plano, que permite el movimiento de los electrones (Pan et al. 2015). Eléctricamente, el grafito se puede considerar como un material semimetálico, que es un conductor en el plano basal y un aislante en el plano normal al plano basal Su estructura atómica es tal que los electrones libres de su ultimo nivel forman una banda de conducción parcialmente llena entre los planos basales donde pueden moverse fácilmente en un patrón de onda equivalentes a campos eléctricos. En consecuencia, la resistividad eléctrica del grafito paralelo a los planos basales (direcciones ab) es bajo y el material es un conductor relativamente bueno de la electricidad (Cabrera et al. 2018). USOS Una de las aplicaciones más comunes del grafito es la fabricación de la mina de los lápices. Pero también encuentra aplicaciones en sectores como energía móvil (en baterías), industria del automóvil, tribología – lubricantes, polímeros conductores, metalurgia e industria química. Ha formado parte de manera directa de nuestra vida cotidiana e indirectamente a través de sectores como el energético, la construcción, la salud, etc (Núñez Jiménez 2017). Para la fabricación de lápices se necesita básica mente grafito, arcilla, madera y agua. Dado que el grafito posee una estructura de capas apiladas unidas muy débilmente, las mismas se pueden deslizar. Al utilizar un lápiz, mientras se escribe, se van desprendiendo pequeñas escamas de grafito. Esta característica lo hace muy apropiado para esta aplicación. El grafito es utilizado como electrodos debido a su carácter semiconductor. También se utiliza en la fabricación de motores y piezas electrónicas (Pino, Garaventa, and Cukjati 2011). BIBLIOGRAFÍAS Cabrera, Nicolás, Scarzo Rainero, San Rafael Emiliano, and Mendoza. 2018. I PORTADA PROYECTO FINAL PRODUCCIÓN DE ÁNODOS DE GRAFITO PARA PROTECCIÓN CATÓDICA. Callister, William D. 2016. Introduccion a La Ciencia e Ingenieria de Los Materiales. Vol. 1. Barcelona: REVERTÉ, S.A. Cárdenas, Laura, and Adriana Esguerra. 2021. “Propuesta de Reutilización y Reciclaje de Residuo Sólido Industrial de Grafito.” 17. Castro, Ana. 2019. Propiedades Físicas de Materiales van Der Waals. Fernández Ramos, Gloria. 2017. “EFECTO DE LA QUÍMICA SUPERFICIAL DEL ÓXIDO DE GRAFENO EN EL DESARROLLO DE APLICACIONES.” Universidad de Alicante. HINOJOSA, ESTHER. 2020. ELABORACIÓN DE UN ACABADO TEXTIL A BASE DE GRAFITO COMO AISLANTE TÉRMICO APLICADO A UN TEJIDO DE LANA. Núñez Jiménez, Antonio. 2017. Construcción de Un Crisol de Grafito Para La Fusión de Ferroaleaciones Aescala de Laboratorio. Pan, Zhu, Li He, Ling Qiu, Asghar Habibnejad Korayem, Gang Li, Jun Wu Zhu, Frank Collins, Dan Li, Wen Hui Duan, and Ming Chien Wang. 2015. “Mechanical Properties and Microstructure of a Graphene Oxide-Cement Composite.” Cement and Concrete Composites 58. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2015.02.001. Pino, Andrés E., Lucía Garaventa, and Paula Cukjati. 2011. “Grafito.” 45. Trainer, Daniel J., Aleksei v. Putilov, Baokai Wang, Christopher Lane, Timo Saari, Tay Rong Chang, Horng Tay Jeng, Hsin Lin, Xiaoxing Xi, Jouko Nieminen, Arun Bansil, and Maria Iavarone. 2019. “Moiré Superlattices and 2D Electronic Properties of Graphite/MoS2 Heterostructures.” Journal of Physics and Chemistry of Solids 128. doi: 10.1016/j.jpcs.2017.10.034.
