Sebastian Valdivia: El carbono, formas alotrópicas y estructuras de los carbones

Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran variedad materiales de carbón.

Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2 , lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y sp3.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo.

Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica del carbono poco común: los carbinos. Los carbinos pueden presentar una estructura lineal o cíclica.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito.

Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las láminas son por fuerzas de van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento ABCABC.

Estructuras del grafito hexagonal (ABAB) y del grafito romboédrico(ABCA)

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp3 cada átomo de carbono se une a otros 4 formando una estructura tridimensional que da lugar a la forma alotrópica del diamante.

El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.

Diamante cúbico

Diamante hexagonal

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,...C100, etc. Los nanotubos de carbono prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas). La nanoespuma de carbono está considerada también como una forma alotrópica del carbono, en la que los átomos de carbono presentan este tipo de hibridación intermedia. En esta forma alotrópica los átomos de carbono se se combinan en hexágonos y heptágonos, dando lugar, al contrario de los fullerenos, a una curvatura inversa. Estas estructuras presentan un electrón desapareado.

Fullereno C60

Diversas estructuras de nanotubos de carbono

Estructura propuesta para la nanoespuma de carbón

Prácticamente todos los carbones tecnológicos presentan la forma alotrópica del grafito. Los diamantes no son carbones propiamente dichos, si bien los carbones sintéticos "tipo diamante" podrían considerarse como un tipo de carbón.

Si aumentamos la escala y nos fijamos ahora en unas cuantas láminas grafíticas (planos basales) podemos dividir a los carbones en: carbones grafíticos (Todo tipo de sustancia formada por el elemento carbono en la forma de grafito, independientemente de la presencia de defectos estructurales), carbones no grafíticos (Todo tipo de sustancia que están constituidas principalmente por el elemento carbono, la estructura presenta un orden bidimensional de átomos de carbón en láminas planas hexagonales, pero no hay ningún orden cristalográfico en la tercera dimensión (dirección c) aparte del hecho de que las láminas sean más o menos paralelas). A su vez, los carbones grafíticos pueden ser: grafitizables (Carbón no grafítico que se convierte en carbón grafítico mediante un tratamiento térmico de grafitización) y no grafitizables (Carbón no grafítico que no se puede trasformar en carbón grafítico mediante un simple tratamiento térmico a temperaturas de hasta 3000 ºC a presión atmosféricas o presiones inferiores a la atmosférica).

Modelo propuesto para la estructura del carbón activado (carbón no grafítico no grafitizable)

(A) estructura de un carbón no grafítico grafitizable, (B) estructura de un carbón no grafítico no grafitizable

Transformación de un carbón no grafítico (pero grafitizable) en un carbón grafítico por un proceso de grafitización

Si seguimos aumentando la escala y nos fijamos ahora en como se estructuran los grupos de láminas grafíticas nos encontramos con una gran variedad de tipos de carbones que pueden ir desde el grafito con una simetría plana y altamente orientado hasta el carbón activado en el cual los planos basales son de pequeño tamaño y los apilamientos de estos apenas alcanzan unos pocos planos. Los negros de carbón presentan unidades cristalinas grafíticas ordenadas en forma concéntrica, mientras que la fibras de carbón pueden ser de varios tipos dependiendo del tipo de ordenamiento de los planos grafíticos.