Investigacion Diamante Y Grafito

Diamante y grafito. Estructura electrónica y enlace

Introducción

Entre las variedades alotrópicas del carbono se encuentran el diamante y el grafito. Ambas son sólidas y presentan propiedades muy diferentes a pesar de estar constituidas exclusivamente por átomos de carbono.

La diferencia de propiedades está determinada por estructuras tanto cristalina como electrónica muy diferentes.

La Teoría de las Bandas permite describir la estructura de estos dos sólidos y a construir modelos que permiten explicar las propiedades fundamentales de ellos. En este epígrafe se desarrolla el asunto de una manera simplificada y cualitativa, pero que será de suficiente utilidad para entender por qué dichos sólidos son tan diferentes.

Diamante. Estructura cristalina

En la figura 1 y 2 se muestra la estructura cristalina del diamante.

Figura 1.

Celda unitaria del diamante

a=b=c , ángulos de 90º

estructura cristalina denominada: tipo diamante

Hay átomos de carbono en cada uno de los vértices del cubo, en el centro de cada cara y otros cuatro dentro del cubo en las posiciones específicas indicadas.

Esta es una estructura singular que se denomina por ello "tipo diamante"

Cada átomo tiene cuatro vecinos, más cercanos señalados con el color azul en las direcciones tetraédricas

La distancia internuclear: 1,54 Å (154 pm)

Estructura electrónica y enlace.

Cada átomo enlazado a otros cuatro en direcciones tetraédricas, por ello se puede asumir que:

los orbitales atómicos que forman el conjunto básico para las CLOAs son los orbitales híbridos sp3

Figura 2.

Porción de la estructura cristalina del diamante.

Para comenzar debe definirse la unidad de enlace que permitirá explicar las relaciones entre los átomos vecinos y que repetida a lo largo del cristal permitirá entonces explicar la estructura electrónica del sólido. La unidad de enlace adecuada se muestra en la figura 3.

De los 8 φ σ

4 φσ* un nivel electrónico de alta energía

4 φσb un nivel electrónico de baja energía

Los orbitales 4 φσb son degenerados y forman un nivel de energía y lo mismo pasa con los orbitales 4 φσ*.

• La superposición de los orbitales es muy efectiva:

• Las energías de todos los orbitales atómicos sp3 es la misma.

• La superposición es de tipo s. La distancia internuclear es pequeña por ser pequeños los átomos

Todo ello trae como consecuencia una gran separación energética entre el nivel enlazante y el antienlazante

Suponiendo que en el sólido hay N unidades de enlace, se tienen

4N φ bcrist y 4N φ *crist

Los primeros forman una banda de baja energía, de carácter enlazante en tanto los segundos forman una banda de alta energía de carácter antienlazante.

Figura 3. Unidad de Enlace:

Un átomo de carbono en el centro y otros cuatro en los vértices adecuados definiendo un tetraedro.

8 orbitales híbridos sp3 en la unidad de enlace, forman 8 CLOAs y por tanto 8 orbítales de la unidad de enlace φ. Los orbitales son de tipo σ

El diagrama de bandas se muestra en la figura 4.

Figura 4. Diagrama de Bandas para el diamante

Los orbitales atómicos del carbono se transforman en:

híbridos sp3

orbitales de la unidad de enlace formados a través de las CLOAs

bandas de orbitales cristalinos

Distribución de los electrones

Átomos en una unidad de enlace : 1 + 4 (1/4) = 2

Estructura electrónica del carbono: [Ne] 2s2 2p2

Electrones en la unidad de enlace: 2 x 4 = 8

En el sólido con N unidades de enlace se tienen entonces: 8N electrones.

Estos electrones alcanzan para llenar la banda de baja energía que se denomina Banda de Valencia (BV) y queda la banda de alta energía vacía que se denomina Banda de Conducción (BC).

El tope de la BV se puede identificar con el HOMO en tanto que el fondo de la BC se puede identificar con el LUMO. La diferencia de energía entre el LUMO y el HOMO es coincidente con el llamado "gap".

En el diamante este gap es de 5,5 eV ( aprox 530 kJ/mol).

Enlace en el diamante.

Todos los niveles en la BV están llenos en tanto los de la BC están vacíos. Como resultante de esta distribución de los electrones, hay una fuerte acción enlazante que se extiende de átomo en átomo a través de todo el sólido.

El enlace es muy fuerte y extendido en todas direcciones

El ancho gap existente hace energéticamente poco favorable el paso de electrones de la BV a la BC.

Estas características de la estructura electrónica tiene y trascendental importancia en la determinación de las propiedades del diamante.

Propiedades del diamante

Dureza, estabilidad térmica, conductividad eléctrica y térmica, color, reactividad química.

DUREZA.

el diamante es muy duro

DUREZA– capacidad de una sustancia sólida para resistir deformación o abrasión de su superficie.

Una superficie blanda se raya con más facilidad que una dura; de esta forma un mineral duro rayará uno blando.

Cuando se raya o se corta la superficie de un sólido, el resultado es que las partículas del sólido deben ser desplazadas de sus posiciones a lo largo de la linea de corte. Para ello hay que vencer la fuerza de atracción entre ellas.

En términos de energía: debe suministrarse una energía superior a la energía de los enlaces que deban romperse. La energía que esta involucrada es energía mecánica o lo que es lo mismo trabajo

En el diamante, los enlaces son muy fuertes y extendidos de átomo en átomo. No solo se desplazan los átomos de la superficie a lo largo de la linea de corte, sino todos los que están enlazados a estos. Todo ello requiere una gran cantidad de energía para lograr el corte y por eso el diamante es muy duro.

El diamante se emplea para confeccionar puntas de corte y como abrasivo en polvo para trabajar aceros, piedras, cerámicas, vidrios y otros materiales duros.

Estabilidad Térmica.

El diamante tiene una alta estabilidad térmica

Una sustancia tiene alta estabilidad térmica cuando se puede calentar a altas temperaturas sin que experimente cambios. Estas sustancias se llaman también "refractarias".

Al elevar la temperatura los electrones pueden excitarse pasando de la BV a la BC

Con ello aumenta la población antienlazante y se debilita el enlace: los átomos se separan mas unos de otros, vibran en su sitio con mayor amplitud. El material se dilata y disminuye su densidad.

A cierta temperatura, la población antienlazante ha aumentado tanto y el enlace se ha debilitado a tal extremo que el sólido funde.

Estructura electrónica del diamante

Para que en el diamante se exciten electrones de la BV a la BC se necesita una energía mayor que la del gap. En el diamante el gap es muy ancho (5,5 eV o 530 kJ/mol) por lo que para alcanzar una población antienlazante suficiente para causar la fusión se necesita una temperatura muy alta.

Temperatura de fusión Tf > 4000 ºC a alta presión de 105 atm. ( 108 hPa)

Temperatura de sublimación Tsub 3800 ºC en alto vacío, presión 10-7 atm ( 10-2 Pa)

Conductividad eléctrica.

El diamante es un buen aislante eléctrico

Como se vio al estudiar los metales, para que exista la conductividad eléctrica se requiere que haya electrones libres en una banda incompleta. De esa manera al aplicar un campo eléctrico al material los electrones se mueven en la banda.

La conductividad eléctrica se puede lograr si se excitan electrones a la banda de conducción.

Estructura electrónica del diamante

Los electrones están todos inmovilizados para la conducción porque están pareados en la BV.

En el diamante el gap es muy ancho (5,5 eV o 530 kJ/mol) por lo que en condiciones normales no hay electrones en la BC.

Color

El diamante es incoloro.

La luz visible (llamada también luz blanca) está formada por un grupo de radiaciones, cada una con su energía específica y que impresiona al ojo con un color determinado.

Una sustancia es coloreada cuando absorbe parte de la radiación visible . De ese modo se elimina alguno de los colores del espectro visible y el resto de las radiaciones que llega al ojo humano provoca una impresión que se identifica con algún color.

Zona Visible del Espectro Electromagnético

Longitud de Onda (nm)

Relación aproximada entre la longitud de onda de la luz visible absorbida y el color observado.

Longitud de onda absorbida (nm) Color observado

400 violeta Amarillo-verde

450 azul Amarillo

490 azul-verde Rojo

570 amarillo-verde Violeta

580 amarillo Azul oscuro

600 naranja Azul

650 rojo Verde

La luz absorbida provoca una excitación electrónica desde un nivel energético bajo a un nivel energético alto. La diferencia de energía entre dichos niveles tiene que corresponderse con la energía de la luz absorbida.

La

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