Grafit
|
Aquest article tracta sobre el mineral. Si cerqueu la representació artística, vegeu «grafit (art)». |
El grafit és un mineral de la classe dels elementals, i en la seua composició concreta intervé un element semimetàl·lic. Està format quasi exclusivament per àtoms de carboni, i es tracta de fet d'una de les formes al·lotròpiques en què es pot presentar el carboni elemental, juntament amb el diamant, el ful·lerè i altres, com el grafè. El grafit és la forma més estable del carboni en condicions estàndard (o a pressions i temperatures baixes), motiu pel qual se l'utilitza en termoquímica per a definir l'estat estàndard respecte del qual es mesura la calor de formació dels compostos del carboni. També és polimorf de la chaoïta i la lonsdaleïta. Rep el seu nom per Abraham Gottlob Werner l'any 1789, i el terme grafit deriva del grec γραφειν (graphein) que significa escriure. Es pot considerar el grafit com el carbó de màxim contingut en carboni, trobant-se per damunt de l'antracita, de manera que se'l pot anomenar meta-antracita, encara que normalment no se l'empra com a combustible degut al fet que és molt difícil encendre'l. També és possible entendre el grafit com una successió de capes de grafè superposades. Antigament, es va anomenar "molibundasna" (que no s'ha de confondre amb el mineral molibdenita).[1]
 Grafit | |
|---|---|
 Grafit de Letovice, República Txeca | |
| Fórmula química | C |
| Epònim | escriptura  |
| Classificació | |
| Categoria | Mineral |
| Nickel-Strunz 10a ed. | 01.CB.05a |
| Nickel-Strunz 9a ed. | 1.CB.05a |
| Nickel-Strunz 8a ed. | I/B.02a |
| Dana | 1.3.6.2 |
| Heys | 1.25 |
| Propietats | |
| Sistema cristal·lí | sistema hexagonal |
| Hàbit cristal·lí | tabular, de sis cares foliada, les masses granulars compactades |
| Grup espacial | grup espacial 194 |
| Massa molar | 12 Da |
| Color | negre acer, gris |
| Exfoliació | Perfecta |
| Fractura | escamosa; desigual quan no es fa en el sentit de l'exfoliació |
| Duresa | 1 a 2 |
| Lluïssor | Metàl·lica terrosa |
| Color de la ratlla | Negre acer - gris |
| Densitat | 2,09 a 2,23 g/cm³ |
| Més informació | |
| Estatus IMA | mineral heretat (G) |
| Símbol | Gr |
| Referències | [1] |
Característiques
modifica
El grafit és de color negre amb lluentor metàl·lica, refractari i s'exfolia amb facilitat. En la direcció perpendicular a les capes presenta una conductivitat de l'electricitat baixa i que augmenta amb la temperatura, comportant-se doncs com un semiconductor. Al llarg de les capes la conductivitat és major i augmenta proporcionalment a la temperatura, comportant-se com un conductor semimetàl·lic. A diferència del diamant, encara que els dos estan formats per carboni, el grafit és molt tou i el diamant és el mineral més dur segons l'escala de Mohs.
En el grafit els àtoms de carboni presenten hibridació sp2, això significa que forma tres enllaços covalents en el mateix pla a un angle de 120° (estructura hexagonal) i que un orbital Π perpendicular a aquest pla quedi lliure (aquests orbitals deslocalitzats són fonamentals per definir el comportament elèctric del grafit). L'enllaç covalent entre els àtoms d'una capa és extremadament fort, en canvi les unions entre les diferents capes es realitzen per forces de Van der Waals i les interaccions entre els orbitals Π, i són molt més febles. L'estructura laminar del grafit fa que sigui un material marcadament anisòtrop.
El grafit té funcions de ratllar altres minerals per a mesurar la seva duresa, ja que no és gaire fràgil. De manera artificial, el grafit es pot convertir en diamant augmentant la temperatura i la pressió, i utilitzant un catalitzador per augmentar la velocitat de la reacció.
El grafit és polimorf del diamant, la chaoïta i la lonsdaleïta. Té dos politips, el grafit-2H, que també cristal·litza en el sistema hexagonal, i el grafit-3R, que ho fa en el trigonal.[2][3] A més es coneixen dues varietats: la cliftonita, un grafit octaèdric pseudomòrfic després de kamacita, trobat en uns pocs meteorits de ferro, i el grafit urànic, un grafit que com el seu nom indica conté urani.
Les condicions de pressió i temperatura dequilibri per a una transició entre grafit i diamant estan ben establertes teòricament i experimentalment. La pressió canvia linealment entre 1,7 GPa a 0 K i 12 GPa a 5.000 K (el punt triple del diamant/grafit/líquid).[4][5]
Tot i això, les fases tenen una àmplia regió al voltant d'aquesta línia on poden coexistir. En temperatura i pressió normals, 20 °C (293 K) i 1 atmosfera estàndard (0.10 MPa), la fase estable del carboni és el grafit, però el diamant és metaestable i la seva taxa de conversió a grafit és menyspreable.[6] No obstant això, a temperatures superiors a aproximadament 4.500 K, el diamant es converteix ràpidament en grafit. La ràpida conversió de grafit en diamant requereix pressions molt per sobre de la línia d'equilibri: a 2.000 K, cal una pressió de 35 GPa.[4]
Formació
modificaEl grafit es troba en roques metamòrfiques com a resultat de la reducció de compostos de carboni sedimentàris durant el metamorfisme. També es troba en roques ígnies i en els meteorits.[7] Els minerals associats amb el grafit inclouen quars, calcita, diferents miques i turmalina.
En meteorits s'ha trobat amb troilita i minerals silicats.[8] Els cristalls de grafit petits en ferro meteorític es coneixen com a cliftonita.[9] Alguns grans microscòpics tenen composicions de isòtops distintives, la qual cosa indica que es van formar abans del Sistema Solar.[10] Són un dels prop de 12 tipus de minerals coneguts que són anteriors al Sistema Solar i que també s'han detectat a núvols moleculars. Aquests minerals es van formar en els materials ejectats quan les supernoves van explotar o les estrelles de mida baixa o intermedi van expulsar els seus embolcalls exteriors al final de la seva vida. El grafit pot ésser el segon o tercer mineral més antic de l'Univers.[11][12]
Encara que es pot produir artificialment, a partir de carboni amorf, hi ha molts jaciments naturals d'aquest mineral. Es troba en roques metamòrfiques, en què els processos associats amb la seva formació han transformat el carboni present en la matèria orgànica que contenia la roca original. Els principals països exportadors de grafit extret són, per ordre de major a menor tonatge: la Xina, Moçambic, Madagascar, Corea del Sud, Rússia, Canadà, Noruega i l'Índia.[13]
Síntesi artificial del grafit
modificaEl 1893, Charles Street de Le Carbone va descobrir un procés per fabricar grafit artificial. A mitjan dècada de 1890, Edward Goodrich Acheson (1856-1931) va inventar accidentalment una altra forma de produir grafit sintètic després de sintetitzar carborund (carbur de silici o SiC). Va descobrir a diferència del carboni pur, produïa grafit gairebé pur. En estudiar els efectes de les altes temperatures en el carborund, va descobrir que el silici es vaporitza a uns 4.150°C (7.500°F), deixant el carboni en grafit. Aquest grafit es va fer valuós com a lubricant.[9]
La tècnica d'Acheson per produir carbur de silici i grafit rep el nom de procés Acheson. El 1896, Acheson va rebre una patent pel seu mètode per sintetitzar grafit,[14] i el 1897 va començar la producció comercial.[9] El 1899 es va formar l'Acheson Graphite Co.
El grafit sintètic també es pot preparar a partir de la poliimida i es comercialitza així.[15][16]
Compostos d'intercalació de grafit
modificaDiferents molècules o ions poden penetrar a les capes del grafit. Per exemple, el potassi pot cedir un electró al grafit, quedant l'ió de potassi entre les capes. Aquest electró contribueix a augmentar la conductivitat que presentava el carboni.
Es poden preparar diferents compostos d'intercalació amb diferents estequiometries i diferents espècies. En alguns casos la conductivitat resultant és més gran, com en el cas del potassi, i és el que passa generalment, però en altres, com per exemple amb fluor, és en menor mesura.
Altres formes relacionades
modificaHi ha altres formes anomenades de carbó amorf que tenen una estructura relacionada amb la del grafit:
Usos
modifica
- Barrejat amb una pasta serveix per fabricar llapis.
- Es pot trobar en maons, rajoles, gresols, etc.
- És un bon lubricant sòlid, ja que llisca fàcilment degut a la superposició de capes (de grafé) que constitueix la seua estructura reticular.
- S'utilitza en la fabricació de diverses peces en enginyeria, com pistons, juntes, volanderes, rodaments, etc.
- És conductor de l'electricitat i es fa servir per fabricar elèctrodes.
- També té altres aplicacions elèctriques, com per exemple les petits peces de carbó que en molts motors elèctrics possibiliten el contacte entre les fases elèctriques i el col·lector.
- És usat també per crear discos de grafit semblants als de discos vinil.
- Es troba també a molts tipus de reactors nuclears, en els quals s'empra de vegades grafit sintètic, ultrapur, com a matriu moderadora del flux neutrònic (fa anar més lents els neutrons). S'ha d'anar amb compte que el grafit usat als reactors no contingui materials absorbents de neutrons tals com el bor, amplament usat com a elèctrode iniciador als sistemes de deposició comercial de grafit; açò va causar el fracàs dels reactors nuclears alemanys de la Segona Guerra Mundial basats en grafit. Com els alemanys no foren capaços de determinar la naturalesa del problema, es varen vore forçats a usar com a substància moderadora aigua pesant, molt més cara. El grafit usat als reactors nuclears s'anomena freqüentment grafit nuclear.
- Amb el grafit es pot crear grafè, un material d'alta conductivitat elèctrica i tèrmica, potencial futur substitut del silici en la fabricació de xips.
Llapis
modificaLa possibilitat de deixar marques en el paper i altres objectes donen el seu nom al grafit. El grafit del llapis, o plom negre, és més comunament una barreja de pols de grafit i argila; va ser inventat per Nicolas-Jacques Conté el 1795.[17] Plumbago és un terme més antic per al grafit natural utilitzat per dibuixar, tradicionalment com un tros de mineral sense l'embolcall de fusta. Avui en dia, els llapis són encara un mercat petit però significatiu per al grafit natural. Al voltant del 7% dels 1,1 milions de tones produïdes en 2011 es va emprar per fer llapis.[18]
Referències
modifica- ↑ 1,0 1,1 «Graphite» (en anglès). Mindat. Arxivat de l'original el 24 de juliol 2018. [Consulta: 1r agost 2014].
- ↑ «Graphite-2H» (en anglès). Mindat. [Consulta: 1r agost 2014].
- ↑ «Graphite-3R» (en anglès). Mindat. [Consulta: 1r agost 2014].
- ↑ 4,0 4,1 Bundy, F.P.; Bassett, W.A.; Weathers, M.S.; Hemley, R.J.; Mao, H.U. «The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994» (en anglès). Carbon, 34, 2, 1996, pàg. 141–153. Arxivat de l'original el 2024-07-10. DOI: 10.1016/0008-6223(96)00170-4 [Consulta: 5 setembre 2024].
- ↑ Wang, C. X.; Yang, G. W.. «Enfoques termodinámicos y cinéticos del diamante y nanomateriales relacionados formados por ablación láser en líquido». A: Ablación láser en líquidos : principios y aplicaciones en la preparación de nanomateriales. Pan Stanford Pub, 2012, p. 164-165. ISBN 9789814241526. Arxivat 2024-09-05 a Wayback Machine.
- ↑ Rock, Peter A. Termodinámica Química. University Science Books, 1983, p. 257-260. ISBN 9781891389320. Arxivat 2024-09-05 a Wayback Machine.
- ↑ «Graphite». A: Anthony, John W.; Bideaux, Richard A.; Bladh, Kenneth W. and Nichols, Monte C.. Handbook of Mineralogy (PDF). I (Elements, Sulfides, Sulfosalts). Mineralogical Society of America, 1990. ISBN 0962209708. Arxivat 2013-10-04 a Wayback Machine.
- ↑ «Graphite». A: Handbook of Mineralogy. Chantilly, VA: Mineralogical Society of America, 1990 (Vol. I (Elements, Sulfides, Sulfosalts)). ISBN 978-0962209703.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 «Graphite | Properties, Uses, & Structure» (en anglès). Britannica. Arxivat de l'original el 2018-09-09. [Consulta: 5 setembre 2024].
- ↑ Lugaro, Maria. Stardust From Meteorites: An Introduction To Presolar Grains. World Scientific, 2005, p. 14, 154-157. ISBN 9789814481373. Arxivat 2024-09-05 a Wayback Machine.
- ↑ Hazen, R. M.; Downs, R. T.; Kah, L.; Sverjensky, D. «Evolución de los minerales de carbono». Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 75, 1, 13-02-2013, pàg. 79-107. Bibcode: 2013RvMG...75...79H. DOI: 10.2138/rmg.2013.75.4.
- ↑ McCoy, T. J. «Evolución mineralógica de los meteoritos». Elements, vol. 6, 1, 22-02-2010, pàg. 19-23. DOI: 10.2113/gselements.6.1.19.
- ↑ «Grafito». Base de datos de minerales. Coalición para la Educación sobre los Minerales, 2018. Arxivat de l'original el 2016-10-14. [Consulta: 9 desembre 2018].
- ↑ Acheson, E. G. «Manufacture of graphite. US Patent US568323A» (Google Patents), 29-09-1896. Arxivat de l'original el 2024-09-05. [Consulta: 5 setembre 2024].
- ↑ Kato, Tomofumi; Yamada, Yasuhiro; Nishikawa, Yasushi; Ishikawa, Hiroki; Sato, Satoshi «Carbonization mechanisms of polyimide: Methodology to analyze carbon materials with nitrogen, oxygen, pentagons, and heptagons». Carbon, vol. 178, 30-06-2021, pàg. 58–80. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.02.090. ISSN: 0008-6223.
- ↑ Kato, Tomofumi; Yamada, Yasuhiro; Nishikawa, Yasushi; Otomo, Toshiya; Sato, Hayato; Sato, Satoshi «Origins of peaks of graphitic and pyrrolic nitrogen in N1s X-ray photoelectron spectra of carbon materials: quaternary nitrogen, tertiary amine, or secondary amine?». Journal of Materials Science, vol. 56, 28, 12-07-2021, pàg. 15798–15811. Bibcode: 2021JMatS..5615798K. DOI: 10.1007/s10853-021-06283-5. ISSN: 1573-4803. Arxivat 2024-05-18 a Wayback Machine.
- ↑ «The History of the Pencil». University of Illinois at Urbana–Champaign. Arxivat de l'original el 2017-09-09. [Consulta: 1r agost 2014].
- ↑ «Electric Graphite Growing Demand From Electric Vehicles & Mobile Electronics». galaxycapitalcorp.com, 20-07-2011. Arxivat de l'original el 4 d’octubre 2013. [Consulta: 1 d’agost 2014].
