¿Por qué el carbono tiene un punto de fusión elevado?

En el campo de la química y la ciencia de los materiales, el carbono ha atraído mucha atención por sus propiedades únicas y su amplia presencia. Su punto de fusión extremadamente alto le confiere estabilidad en entornos extremos. Y desempeña un papel clave en la pirometalurgia y la fabricación de materiales refractarios y superduros.

Estructural de carbono

El carbono tiene diversos alótropos en la naturaleza, como el diamante, grafito y el fullereno. Debido a la diferente disposición de los átomos, las propiedades físicas y químicas varían enormemente.

El diamante es un cristal atómico, átomos de carbono a enlaces covalentes para construir una estructura de red tridimensional. Cada átomo de carbono y los cuatro átomos de carbono circundantes conectados para formar un tetraedro regular, la estructura general es estable.

El grafito está estratificado, los átomos de carbono de la capa forman una red hexagonal con enlaces covalentes, y los enlaces covalentes son fuertes. Sobre la capa actúa una débil fuerza de Van der Waals. Esto hace que el grafito tenga buena conductividad y lubricidad en la dirección paralela de la capa, y tenga cierta estabilidad.

Representado por C60El fullereno tenía forma de balón de fútbol y estaba compuesto por 60 átomos de carbono en forma de bola. Cada átomo de carbono estaba conectado a tres átomos de carbono vecinos mediante enlaces covalentes. Gracias al enlace covalente, el fullereno tenía cierta estabilidad.

Razones del alto punto de fusión del carbono

Enlace covalente

El elevado punto de fusión del carbono se debe principalmente a su potente enlace covalente entre átomos. En el diamante, cada átomo de carbono forma un fuerte enlace covalente con los cuatro átomos de carbono circundantes. Los enlaces covalentes son los enlaces formados al compartir electrones entre átomos, que consisten esencialmente en la fuerte atracción del núcleo hacia el par de electrones compartidos. En la estructura del diamante, este enlace covalente puede ser muy alto. Y para romper estos enlaces covalentes y separar los átomos de carbono, se necesita mucha energía.

Tomemos como ejemplo el diamante, cuyo enlace C-C tiene una unión de unos 347 kj/mol. Cuando se calienta, la energía aportada por el exterior debe ser suficiente para superar la unión de estos enlaces covalentes. Para cambiar la posición relativa del átomo de carbono y transformarse así de sólido a líquido. Por el contrario, algunas moléculas de materia, como el hielo, interactúan con la fuerza de van der Waals a través de enlaces de hidrógeno más débiles y un punto de fusión de 0. Cuando el hielo se funde, sólo necesita destruir estas fuerzas débiles entre moléculas. Sin destruir los enlaces covalentes dentro de las moléculas de agua, por lo que requiere menos energía.

En el grafito, aunque existe una débil fuerza de Van der Waals entre las capas. Los átomos de carbono de cada capa forman una red plana estable mediante enlaces covalentes. El enlace covalente en esta capa también tiene una alta energía de enlace. De modo que cuando se calienta el grafito, la estructura de la capa puede mantenerse relativamente estable. Y se requiere una temperatura más alta para que toda la estructura cambie significativamente.

Los átomos de carbono están muy apretados

Además de la acción de los enlaces covalentes, la estrecha acumulación de átomos en la estructura cristalina del carbono también desempeña un papel importante en su elevado punto de fusión. En la malla tridimensional del diamante, los átomos de carbono están dispuestos de forma muy ordenada y compacta. Esta apretada acumulación hace que la distancia entre átomos sea muy pequeña y que la interacción entre ellos aumente aún más.

Según la teoría de la estructura cristalina, la acumulación densa de átomos puede mejorar la densidad y la estabilidad de los cristales. En los diamantes, la energía de red es mayor debido a la acumulación compacta de átomos. La energía de red se refiere a la energía absorbida por el cristal iónico en iones positivos gaseosos e iones negativos gaseosos en condiciones estándar. En el caso de los cristales atómicos, se puede comparar con la energía necesaria para romper la estructura cristalina. Cuanto mayor sea la energía de red, más estable será el cristal y mayor será su punto de fusión.

Aunque hay un cierto espacio entre las capas de grafito, los átomos de carbono de cada capa también están estrechamente dispuestos. Esta acumulación apretada en la capa también ayuda a mejorar la estabilidad y el punto de fusión del grafito. En cada capa de grafito, la estructura de malla hexagonal formada por los átomos de carbono hace que la interacción entre los átomos alcance un estado de equilibrio. Para romper este equilibrio se requiere una gran energía.

Comparación del punto de fusión del carbono con otros elementos

En comparación con otros elementos, el punto de fusión del carbono presenta importantes ventajas sobre los elementos comunes.

Tomando el hierro como ejemplo, su punto de fusión es de unos 1538 °C, es un cristal metálico, unido por enlaces metálicos. Y la interacción entre los cationes metálicos y los electrones libres se supera cuando se funde.

Y el azufre a menudo existe en S8 moléculas, cristales moleculares. Es por la débil fuerza de van der Waals entre moléculas, punto de fusión es sólo 115,21 ° C.

El carbono, ya sea diamante, alótropo equivalente al grafito, debido al enlace covalente interatómico y a la estructura de empaquetamiento cerrado, el punto de fusión es mucho mayor que el de muchos elementos comunes. El punto de fusión del carbono es de unos 3550 °C (3824K)，es extremadamente estable a altas temperaturas, convirtiéndose en un material clave en aplicaciones especiales.

Aplicación práctica del alto punto de fusión del carbono

Materiales refractarios:

El carbono se puede utilizar ampliamente en la fabricación de materiales refractarios debido a su elevado punto de fusión. En la industria metalúrgica, el revestimiento de los hornos de alta temperatura debe ser resistente a las altas temperaturas y a la erosión. El grafito y los materiales compuestos que contienen carbono pueden resistir las duras condiciones ambientales, proteger el cuerpo del horno y prolongar su vida útil. Por ejemplo, el crisol de grafito puede soportar la fusión de acero fundido a alta temperatura en la fabricación de acero.

Materiales superduros:

El diamante, como alótropo del carbono, se ha convertido en la primera elección para fabricar materiales superduros por su gran dureza y su alto punto de fusión. Se pueden utilizar herramientas de diamante en maquinaria, procesamiento de piedra y otros campos. Cuando se corta a alta velocidad, el alto punto de fusión hace que sea estable a alta temperatura y alta presión. Mejora la precisión y la eficacia del procesamiento. También puede utilizar diamantes sintéticos para fabricar herramientas de perforación para la prospección petrolífera y la exploración geológica.

Dispositivos electrónicos:

En el campo de los dispositivos electrónicos, el alto punto de fusión del carbono desempeña un papel importante. Semiconductor requiere un entorno de alta temperatura para el crecimiento del cristal, el dopaje y otros procesos. Debido a su alto punto de fusión, buena conductividad eléctrica y estabilidad química, puede utilizarse para fabricar elementos calefactores, crisoles y otros componentes. Para garantizar el control preciso del proceso de fabricación de semiconductores y una producción de alta calidad.

Conclusión

El alto punto de fusión del carbono se debe a su estructura única, los enlaces covalentes entre los átomos son fuertes y están fuertemente empaquetados, y la fusión requiere mucha energía. En comparación con otros elementos, esta propiedad lo hace ventajoso en muchos campos. Y también ayudará a desarrollar más materiales de alto rendimiento basados en el carbono en el futuro.