Diferencias entre Grafito y Carbón

A temperatura y presiones estándares, el Grafito es la forma (alotrópica) más estable termodinámicamente hablando del Carbono, por lo que predomina sobre el resto con una mayoría abrumadora. Prueba de ello es que por cada Diamante que se extrae, no digamos ya los raros casos en los que encontramos fullerenos, podemos encontrar cientos de toneladas de Grafito en todo el mundo, fácilmente reconocibles y explotables. No obstante, y dado que a lo largo de mi vida he notado que muchas personas encuentran dificultades para distinguir el carbón del Carbono elemental, intentaré explicar de la forma más sencilla cuales son las diferencias entre ambos, ya que no se debe confundir el Grafito (Carbono puro) con otros minerales, también Carbonoideos, con contenidos del elemento que varían entre un 40-95%, según su “riqueza en Carbono”, propiedad que los enumera según su contenido del mismo. 

El carbón es una fuente impura de Carbono, fácilmente combustible, usada desde los albores de los tiempos como fuente de energía. Se divide entre varios minerales que se explotan por su contenido en Carbono y obedecen a una jerarquía de menor a mayor contenido en C (%) que aumenta su precio. Dichos minerales son, en orden: Turba, Lignito, Carbón Bituminoso y Antracita. Todos estos minerales son los que conforman el llamado “carbón” de toda la vida, que recibe el mismo nombre tanto en España como Latinoamérica y proviene del Latín “carbo”, fuente del nombre del elemento. 

La calidad del Carbón (no confundir con Carbono puro) depende precisamente del % de C que se encuentra en masa. Así, minerales como el Lignito nunca rebasan el 75% de C en masa mientras que la Antracita es la que más se le acerca, con un tope típico del 95%. Estos minerales son combustibles, y su oxidación vigorosa que libera calor con llama es lo que conocemos como fuego de carbón o de madera. Es la forma de calor más primitiva, con diferencia. 

El fuego es una reacción química en la que el Carbono pasa a unirse con el Oxígeno para formar típicamente CO2, el muchas veces infame (debido a su efecto invernadero) “Dióxido de Carbono”. Dado que la afinidad entre el Carbono y el Oxígeno es muy alta, la reacción es fácil y libera mucha energía (aunque no tanta como los hidroCarburos fósiles como el petróleo). A veces, el carbón es separado entre el llamado “carbón vegetal” y el “carbón mineral”. ¿Cuál es la diferencia? ¿Es el “Carbón mineral” un nombre adecuado para el Grafito?

La diferencia entre carbón vegetal y mineral es exactamente lo que su adjetivo indica: orígenes distintos. Mientras que el carbón vegetal procede de animales y sobretodo, grandes restos de biomasa vegetal muerta muchas veces foSilizada, el carbón mineral procede instrínsecamente de fuentes no-orgánicas, o bien de algunas que una vez fueron orgánicas pero han perdido mucho volumen de H2O y otros elementos. El motivo por el cual encontramos grandes restos de Carbono cada vez más “puros” según pasan los años, por ejemplo, al examinar el tronco de un árbol caído, es que todos los demás elementos, principalmente agua y otras combinaciones de Hidrógeno más volátiles, se van perdiendo progresivamente ya que sus enlaces no son lo suficientemente estables químicamente, por lo que “migran” fuera de la muestra, quedando cada ves más Carbono a medida que la madera se va “resecando”, perdiendo compuestos químicos sistemáticamente y dejando tras de sí Carbono (que es más estable y solidifica) de manera tal que, salvo por la formación de HidroCarburos (tal es el caso del gas natural y el petróleo, por ejemplo) con el paso de los años nos encontramos los restos del árbol (o animal) separados de tal forma que el contenido de Carbono es cada vez más alto en detrimento de otros compuestos. Ésta es también la razón por la cual las diversas fuentes de carbón vegetal y/o animal presentan una tonalidad negra a la vista. Algunos ejemplos de Carbón vegetal típico son virtualmente cualquier madera combustible, restos de animales, et cétera. Algunas formas de Carbón pueden considerarse, dependiendo del punto de vista, como orgánicos o inorgánicos. El Azabache, por ejemplo, es un fósil orgánico perteneciente a la familia del Lignito por cuya virtud de dureza se emplea desde hace siglos en joyería (

El carbón mineral, por otra parte, es siempre más rico en Carbono puro (ergo su %C es superior). Ésto se debe a que no ha formado parte de ninguna forma de vida, o bien lo ha hecho, pero con un margen de tiempo tan grande como para perder contenido de Hidrógeno y demás elementos que apenas forman, como en el caso de la Antracita, un 5-6% en forma de impurezas. De más está decir que el carbón mineral propiamente dicho es más caro que el vegetal, ya que genera más energía calorífica al quemar debido a su mayor contenido de Carbono.

Explicadas las características de los minerales que entran en la categoría de “carbón” propiamente dicho, pasemos a diferenciarlos del Grafito. 

Características del Grafito

El Grafito es Carbono elemental, es decir, un geólogo o cualquiera que entienda de minerales te dará la misma composición: “C”

Esto significa que nos encontramos ante Carbono puro, nativo. Nativo significa que lo podemos obtener de forma natural en estado elemental, tal como viene. A su vez, “estado elemental” significa que lo que tienes en mano es exactamente lo que te describe la Tabla Periódica, con todas sus características. Me explico: la mayoría de elementos que aparecen en ella aparecen siempre combinados en la naturaleza. De hecho, de los 94 elementos (asumiendo que contamos hasta el Plutonio), sólo unos seis o siete aparecen en su forma pura, de manera natural. El motivo que propicia ésto se debe, principalmente, a su estabilidad química que les permite, por así decirlo, “resistir” a la combinación con elementos más electronegativos. El Carbono es uno de los pocos elementos que pueden encontrarse de forma pura, tanto en Grafito como en Diamante, pero como por ahora estamos hablando del primero, concentrémonos pues, en definir algunas de sus propiedades básicas y otras más complejas. 

En estado puro presenta un color negro-gris “metálico”, similar al de la Hematita (mineral común de Hierro), pero opaco y con poca reflectividad (en éste contexto, “efecto espejo”). En ocasiones, el color varía del “negro Acero” o “negro metálico” a tonalidades más azules y suaves. Es extremadamente blando (dureza Mohs 1-2) y se puede cortar con un cuchillo común y corriente. Es frágil, y se pulveriza con facilidad. En contra de lo que se pudiera intuir debido a la facilidad que tiene el Carbono para formar compuestos de todo tipo (existen varios millones), químicamente el Grafito es más “noble” que metales como el Hierro o el Cobre, y sólo reacciona con agentes corrosivos a altas temperaturas. 

En estado de gran pureza (+99,99%) y a temperaturas de hasta 100ºC resiste el ataque de los ácidos Sulfúrico y Clorhídrico, y no es combustible propiamente dicho hasta pasados los 500ºC (algunas fuentes lo elevan hasta los 700º). No obstante, a partir de dicha temperatura, y en presencia de Oxígeno, comienza a reaccionar, liberando calor y formando el Dióxido (CO2) correspondiente, sublimándose. El Grafito NO tiene punto de fusión, es decir, no pasa nunca a forma líquida bajo presiones normales. No obstante, el punto de ebullición, que en éste caso es realmente sublimación, es el más alto entre todos los elementos, con 3642ºC siendo necesarios, a presiones normales, para lograr hacerlo pasar de estado sólido a gaseoso. Dicho procedimiento sólo se puede pensar siquiera en ausencia de otros elementos corrosivos, especialmente el Oxígeno.   

Teniendo en cuenta el número atómico del Carbono (Z=6) es bastante denso (aproximadamente 2,24 gr/cc), más que el cuarzo común y el Silicio elemental. Una de las características que separan al Grafito de la Antracita propiamente dicha, teniendo en cuenta las similitudes entre ambos, es que el proceso de ignición en el Grafito es más dificultoso, y se considera en general, menos “combustible” que los minerales ricos en Carbono que forman parte del carbón propiamente dicho. 

Otras de las características que hacen que el Grafito sobresalga en comparación a formas impuras de Carbono son su elevado índice de conductividad eléctrica y térmica. 

Estructuralmente, el Grafito se compone de varias capas de Grafeno (de ahí que dicho álotropo recibiera su nombre), apilados capa a capa de tal forma que los enlaces son fácilmente separables y débiles (prueba de ello es baja dureza Mohs del Grafito). 

Usos del Grafito

Probablemente la aplicación más famosa del Grafito sea la elaboración de lápices. Poca gente sabe que las barras de Grafito no lo son realmente, si no que están compuestas por una mezcla rica en Grafito puro y aglomerantes (substancias que “contraen” las partículas) frecuentemente cerámicos que le confieren mayor rigidez estructural. La palabra “grafito” en sí misma fue acuñada por el alemán Abraham Gottlob Werner en 1789. Hasta ése momento, la palabra que definía al mineral era “plumbago”. El motivo se debe a la similitud física entre la Galena (mineral del Plomo, “plumbum”) y el Grafito propiamente dicho. Hasta el día de hoy, el Grafito de los lápices se llama “lead” en inglés, palabra que también sirve para designar al Plomo. Fuera de ésto, no guardan mayores semejanzas salvo por el hecho de que ambos pertenezcan al mismo grupo de la Tabla Periódica. 

Otro uso “mundano” del Grafito que cualquier joyero conocerá de sobra es su aplicación como crisol. Un crisol es el molde donde se funden los metales típicos en un taller de joyería, aunque también es aplicable a otros tipos. El motivo es precisamente la alta resistencia que presenta el Carbono elemental a las altas temperaturas, bajo coste, y facilidad de moldeo. Los crisoles “de Grafito” no son de Grafito puro propiamente dichos, si no de una mezcla que, como en el caso de los lápices, aumenta su rigidez. Además, el Carbono en ésta forma es bastante inerte, pero incluso si llegase a reaccionar, por ejemplo, en un “accidente” como sería el caso de que comenzara a reaccionar (oxidándose), no llegaría a alterar a la enorme mayoría de metales que se funden en él ya que el Carbono no forma Carburos con los metales típicos de joyería y bisutería, como lo son el Cobre, la Plata, el Oro, Estaño, Zinc, et cétera lo cual aumenta aún más su valor.

Otra aplicación común del Grafito es la de “lubricación seca”. Tal como su nombre sugiere, se agrega el Grafito en forma pulverizada a un mecanismo para evitar el desgaste por el contacto típico entre piezas metálicas como podrían ser, por ejemplo, un mero mecanismo de caja fuerte antigua. En éstos casos, el Grafito sí se usa en estado puro, aprovechando su bajísima dureza Mohs (1-2) que le incapacita para desgastar a otros materiales. Dado que el Grafito se agrega como polvo y sin acompañantes, a diferencia de otros muchos lubricantes como los resinosos su uso se ve favorecido donde las características acuosas/gelatinosas de los lubricantes típicos se quieran evitar.

En aplicaciones relacionadas al mundo de la electricidad y al de la electrónica, y por virtud de su altísimo valor de conductividad eléctrica, se usó (y todavía se usa) durante muchos años como conductor. Poca gente sabe que las primeras bombillas fueron fabricadas con filamentos de Grafito, antes de pasarse al Renio y en última instancia, al Wolframio. Debido a éstas características, también se utiliza en electrodos de alta responsabilidad.

Finalmente, la aplicación del Grafito más desconocida para la mayoría del público nos lleva hasta las centrales nucleares: se usa o usaba, en forma de barras largas, como moderador de partículas, es decir, hablando más sencillamente, como escudo ante la radiación fruto de las reacciones de la central propiamente dicha. El motivo es que el átomo de Carbono, al ser tan pequeño y estar tan concentrado en el Grafito (aunque no tanto como en el Diamante, dicho sea de paso) puede “atrapar” neutrones sueltos de alta velocidad que pasan a formar parte de su núcleo aumentando en una cifra el isótopo C-12, que es el más abundante de forma natural (+98% de todo el Carbono es C-12). Ésta forma de Grafito recibe el nombre de “Grafito nuclear” y si bien no es intrínsecamente peligrosa, se ha de manejar con cuidado. Al igual que todos los sistemas de “escudo” en centrales nucleares tiene una vida útil fija de varios ciclos hasta que pasa a ser inutilizable. Hoy en día se usa cada vez menos, ya que se prefiere el uso de la llamada “agua pesada” que además tiene la virtud de ser móvil, en contraposición a las barras estáticas de Grafito. 

No pongo al Grafito como componente del Acero ya que el Acero no lo consume directamente, si no que obtiene su contenido de Carbono directamente del coque durante la fundición y purificación del mismo en el proceso de refinamiento.