Todo lo que conocemos, todo, está hecho exclusivamente de los elementos de la tabla periódica, no hay nada más, y por eso a los científicos nos fascina tanto. Pero muchas veces es más importante cómo están colocados estos elementos y cómo enlazan entre sí, que los propios elementos que forman un material. Así por ejemplo tenemos sustancias en apariencia diferentes, pero formadas por los mismos elementos. A estas sustancias las llamamos alótropos. El ejemplo de alotropía más común es la del carbono: el carbono tiene varios alótropos, y los más reconocibles son el diamante y el grafito. Sí, el diamante, que es una piedra preciosa, y el grafito, el componente principal de la mina de los lápices, están hechos de lo mismo, exclusivamente de átomos de carbono unidos entre sí. La forma en la que se unen estos átomos es lo que los hace tan diferentes.
María (1972) – Antonio López
Lápiz sobre papel
El carbono es el elemento número seis, lo que implica que contiene seis protones, y en su estado elemental contiene también seis electrones. Tal y como he explicado en entradas anteriores, viendo la posición en la tabla periódica de este elemento podemos deducir gran parte de sus propiedades. Por ejemplo, le faltan cuatro electrones para tener una configuración electrónica estable, como la del gas noble neón.
Por este motivo el carbono cuando enlaza consigo mismo tiende a compartir sus electrones de valencia (de los seis electrones de tiene, dos están en una capa interna, y cuatro en la capa más externa, la de valencia) con otros carbonos, a fin de que todos los carbonos tengan ocho electrones en la capa de valencia, igual que el neón.
Átomo de carbono
Siempre que un elemento enlace consigo mismo, o con otro muy cercano en la tabla periódica, tenderá a compartir sus electrones, ya que tendrán la misma tendencia a atraer a los electrones del enlace hacia sí (a esta tendencia la llamamos electronegatividad). A esta forma de enlace por compartición la llamamos enlace covalente, y es el tipo de enlace químico de mayor fortaleza.
En el caso del carbono diamante cada carbono enlaza covalentemente con cuatro carbonos, y estos a su vez con otros cuatro carbonos, de manera que se forma una red cristalina tridimensional en la cual todos los carbonos “sienten” los ocho electrones que necesitan en su capa de valencia para adquirir la configuración de gas noble (cuatro electrones de valencia que tiene el propio carbono más otros cuatro electrones, cada uno aportado por un carbono enlazado). Estructuralmente, si nos fijamos en un carbono, este estará imbuido en un entorno tetraédrico, con cada vértice ocupado por un carbono.
Los electrones de cualquier elemento están deslocalizados alrededor del núcleo en unas zonas de elevada probabilidad llamadas orbitales. Estos orbitales tienen formas muy concretas, y nos ayudan a describir el tipo, fortaleza y geometría de los enlaces. También la posición de cada elemento en la tabla periódica nos indica el tipo de orbital de su capa de valencia. Siempre que nos encontramos al carbono en entornos tetraédricos podemos afirmar que sus electrones están “localizados” en unas zonas alrededor del núcleo llamadas orbitales híbridos sp3.
Gracias a este tipo de orbitales, todos los carbonos enlazan con todos muy fuertemente (los orbitales solapan frontalmente, lo que se llama enlace sigma (σ)), y de ahí que el diamante sea tan duro (es la sustancia que encontramos en la naturaleza de mayor dureza, de 10 en la escala de Mohs) y tenga ese aspecto tan cristalino.
El caso del grafito, que es el que nos ocupa, también está formado exclusivamente de carbono, pero en este caso además de enlaces de tipo covalente sigma (σ) muestra otros enlaces de carácter más débil responsables de su aspecto y propiedades. Si nos paramos a estudiar la estructura interna del grafito nos daremos cuenta de que detrás de esa apariencia se esconde una estructura extraordinaria que le dota de unas cualidades también extraordinarias.
La estructura del carbono grafito es laminar. Es decir, que los carbonos enlazan covalentemente entre sí formando un plano, y entre estos planos es donde encontramos enlaces mucho más débiles.
Si nos fijamos en el entorno de uno de los carbonos observaremos que éste está unido a tres carbonos (y no a cuatro, como ocurría con el diamante) formando un triángulo equilátero. Este tipo de geometría se corresponde con un tipo de orbital híbrido sp2.
Se forman tres orbitales híbridos sp2 (color amarillo) con los que formar los tres enlaces covalentes sigma del plano. Pero recordemos que el carbono tiene cuatro electrones de valencia, no tres, así que el cuarto electrón lo acomoda en un orbital tipo p perpendicular al plano (color violeta). Estos orbitales tipo p se distribuyen por encima y por debajo del plano, dando lugar a un enlace pi deslocalizado (π), que es mucho más débil que el enlace sigma (σ). Por este motivo los planos o láminas de carbonos tienen cierta movilidad entre sí, lo que caracteriza la textura de este material: es blando y fácilmente exfoliable. Además los electrones pi deslocalizados (π) son responsables de la conductividad eléctrica del grafito, ya que tienen cierta movilidad (la movilidad de los electrones es lo que confiere el carácter más o menos conductor de una sustancia).
Que el grafito sea tan blando, opaco y exfoliable nos permite emplearlo en algo tan ordinario como la mina de un lápiz. Para fabricar estas minas el grafito se combina con cierta proporción de arcilla, que le confiere mayor dureza y claridad. Según la proporción grafito-arcilla encontramos la graduación de dureza de un lápiz:
Los lápices más duros (ricos en arcilla) permiten mayor precisión y limpieza de trazo, y por eso se emplean en dibujo técnico. Mientras que los lápices más blandos (ricos en grafito y pobres en arcilla) permiten que podamos difuminar el trazo en busca de sombreados y profundidad, y también conseguir negros más intensos y puros, por lo que se emplean con mayor frecuencia en el dibujo artístico.
Por tanto la estructura interna del grafito es la responsable de lo extraordinario de sus cualidades, una estructura menos cristalina y más compleja y caótica que la del diamante, una estructura más humana y menos divina.
Estudio con tres puertas (1969-1970) – Antonio López
Lápiz sobre papel encolado a madera
Este post participa en la XXII Edición del Carnaval de Química acogido en el blog Roskiencia, cuyo autor es @ismael__ds/@roskiencia.
Lo extraordinario de lo ordinario (parte II): grafito
Todo lo que conocemos, todo, está hecho exclusivamente de los elementos de la tabla periódica, no hay nada más, y por eso a los científicos nos fascina
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2020-04-27