Carbono y carburos: una comparación exhaustiva

El carbono, elemento fundamental, constituye la base de innumerables materiales, entre ellos el diamante y el grafito. Su versatilidad se extiende a la formación de carburos, compuestos con propiedades diferenciadas.

En esta entrada del blog se analizan las diferencias entre el carbono y sus diversos alótropos y carburos. Analizaremos en profundidad sus características, como dureza, estabilidad térmica, conductividad eléctrica, reactividad química y propiedades magnéticas, y ofreceremos una comparación completa para los profesionales del sector.

¿Qué es el carbono?

El carbono es un elemento químico no metálico de símbolo C y número atómico 6. Es el cuarto elemento más abundante en el universo en términos de masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. El carbono es muy versátil debido a su capacidad de formar enlaces covalentes estables consigo mismo y con otros elementos, lo que da lugar a una amplia gama de compuestos.

Alótropos del carbono

Diamante

El diamante es un alótropo metaestable del carbono donde cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro en una disposición reticular tetraédrica, lo que da como resultado una estructura cristalina altamente rígida.

Grafito

El grafito es la forma más estable del carbono en condiciones estándar. Tiene una estructura plana y estratificada en la que cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros tres en una red hexagonal, formando láminas llamadas grafeno.

Fullerenos y nanotubos

Los fulerenos son alótropos compuestos por átomos de carbono dispuestos en una malla cerrada o parcialmente cerrada, generalmente en forma de esfera hueca, elipsoide o tubo. El primer fulereno descubierto y más famoso es el buckminsterfullereno (C₆₀), una molécula esférica hueca que se parece a un balón de fútbol.

Los nanotubos de carbono son fulerenos cilíndricos con relaciones de aspecto que a menudo superan el millón. Pueden tener una pared simple con un diámetro cercano a 1 nm o paredes múltiples formadas por múltiples tubos concéntricos.

¿Qué son los carburos?

Los carburos son compuestos formados por carbono y un elemento menos electronegativo, normalmente un metal. En los carburos, el carbono suele presentar estados de oxidación negativos, a menudo -4. El tamaño relativamente pequeño de los átomos de carbono permite una amplia inserción en las redes cristalinas de los metales.

Los carburos se caracterizan por su alta dureza, sus altos puntos de fusión y sus buenas conductividades térmicas y eléctricas en comparación con el metal original. Estas propiedades surgen de la fuerte unión entre los átomos de carbono y de metal.

Tipos de carburos

Los carburos se pueden clasificar en tres categorías según la naturaleza de su enlace: iónico (similar a la sal), covalente e intersticial (metálico).

Carburos iónicos (similares a la sal)

Los carburos iónicos o similares a sales se forman entre el carbono y elementos altamente electropositivos, como los metales alcalinos y alcalinotérreos. La unión se caracteriza por la transferencia de electrones del metal al carbono, lo que da como resultado iones que se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas. Algunos ejemplos son:

• Carburo de calcio (CaC₂): se utiliza en la producción de acetileno y cianamida cálcica. Reacciona con agua para producir gas acetileno.
• Carburo de magnesio (Mg₂C₃): también se utiliza en la producción de acetileno. Reacciona con el agua con más fuerza que el CaC₂.

Los carburos iónicos suelen ser inestables y reactivos debido a la alta carga negativa de los átomos de carbono. Se descomponen en agua y ácidos diluidos para producir hidrocarburos.

Carburos covalentes

Los carburos covalentes se forman entre el carbono y elementos menos electropositivos con electronegatividades similares, como el silicio, el boro y el tungsteno. El enlace implica compartir electrones de manera covalente, lo que da como resultado compuestos con un alto grado de carácter covalente. Algunos ejemplos son:

• Carburo de silicio (SiC): Conocido como carborundo, se utiliza como abrasivo y en cerámicas de alta temperatura debido a su dureza y estabilidad térmica.
• Carburo de boro (B₄C): Uno de los materiales más duros conocidos, utilizado en blindajes de tanques, chalecos antibalas y abrasivos.
• Carburo de tungsteno (WC): Se utiliza en herramientas de corte, abrasivos y piezas resistentes al desgaste debido a su alta dureza y tenacidad.

Los carburos covalentes suelen tener puntos de fusión, dureza y estabilidad química elevados. Son semiconductores o aislantes debido a la ausencia de electrones libres.

Carburos intersticiales (metálicos)

Los carburos intersticiales o metálicos se forman cuando los átomos de carbono encajan en los intersticios de una red metálica, a menudo de metales de transición. El pequeño tamaño del carbono permite una inserción extensa sin alterar significativamente la red metálica. Algunos ejemplos son:

• El carburo de hierro (Fe₃C), conocido como cementita, es un componente clave en aceros y fundiciones, contribuyendo a su dureza.
• El carburo de titanio (TiC) se utiliza en herramientas de corte y recubrimientos resistentes al desgaste debido a su alta dureza y estabilidad térmica.
• El carburo de tungsteno (WC) también es un carburo intersticial, a pesar de tener características de enlace covalente.

Los carburos intersticiales presentan enlaces mixtos, con una combinación de componentes covalentes, iónicos y metálicos. Se caracterizan por una gran dureza, puntos de fusión elevados y buenas conductividades eléctricas y térmicas.

¿Cuáles son las principales diferencias entre los carburos iónicos, intersticiales y covalentes?

Las principales diferencias entre los carburos iónicos, intersticiales y covalentes radican en su naturaleza enlazante, que determina su estructura y propiedades:

Vinculación

• Los carburos iónicos tienen transferencia de electrones del metal al carbono, lo que resulta en una atracción electrostática entre iones.
• Los carburos covalentes comparten electrones entre el carbono y el otro elemento, formando enlaces covalentes direccionales.
• Los carburos intersticiales tienen una mezcla de enlaces covalentes, iónicos y metálicos, con átomos de carbono insertados en la red metálica.

Estructura

• Los carburos iónicos tienen una estructura similar a la de la sal con cationes y aniones alternados.
• Los carburos covalentes tienen una estructura covalente de red con fuertes enlaces direccionales.
• Los carburos intersticiales mantienen la estructura cristalina del metal original con carbono en los sitios intersticiales.

Estabilidad

• Los carburos iónicos son generalmente inestables y reactivos y se descomponen en agua y ácidos diluidos.
• Los carburos covalentes son químicamente estables e inertes debido al fuerte enlace covalente.
• Los carburos intersticiales tienen una estabilidad química de moderada a buena.

Propiedades electronicas

• Los carburos iónicos son aislantes debido a la ausencia de electrones libres.
• Los carburos covalentes son semiconductores o aislantes dependiendo de su banda prohibida.
• Los carburos intersticiales son conductores metálicos debido a la presencia de electrones libres.

Propiedades físicas

• Los carburos iónicos tienen menor dureza y puntos de fusión en comparación con los carburos covalentes e intersticiales.
• Los carburos covalentes tienen una dureza muy alta, puntos de fusión elevados y conductividades eléctricas y térmicas bajas.
• Los carburos intersticiales tienen alta dureza, altos puntos de fusión y buena conductividad eléctrica y térmica.

Diferencia entre carbono y carburos

Dureza y resistencia al desgaste

El carbono puro, en forma de grafito, tiene una dureza relativamente baja de 0,5 a 1 en la escala de Mohs. En cambio, los carburos suelen presentar valores de dureza mucho más elevados. Por ejemplo, el carburo de tungsteno (WC) tiene una dureza de 9 a 9,5 en la escala de Mohs, lo que lo convierte en uno de los materiales más duros que se conocen.

Estabilidad térmica y puntos de fusión

El grafito, la forma más estable del carbono en condiciones estándar, sublima a 3.642 °C (6.588 °F) sin fundirse. Por otro lado, los carburos suelen tener puntos de fusión altos, pero inferiores al del grafito. Por ejemplo, el carburo de titanio (TiC) tiene un punto de fusión de 3.160 °C (5.720 °F), mientras que el carburo de silicio (SiC) se funde a 2.730 °C (4.946 °F).

Conductividad eléctrica

El grafito es un excelente conductor eléctrico debido a sus electrones π deslocalizados, que permiten un fácil movimiento de los electrones. Su conductividad eléctrica es de aproximadamente 3 x 10^5 S/m. En cambio, la mayoría de los carburos son semiconductores o aislantes. Por ejemplo, el carburo de silicio (SiC) tiene una conductividad eléctrica de alrededor de 10^-6 a 10^3 S/m.

Reactividad química

El carbono, en particular en forma de grafito, es relativamente inerte y resistente al ataque químico a temperatura ambiente. Sin embargo, puede oxidarse a altas temperaturas y formar dióxido de carbono. Los carburos, por otro lado, tienen reactividades químicas variables según su tipo. Los carburos similares a sales, como el carburo de calcio (CaC2), son altamente reactivos con el agua y producen gas acetileno inflamable. Los carburos covalentes, como el carburo de silicio (SiC), son generalmente más inertes químicamente y resistentes a la oxidación debido al fuerte enlace covalente entre los átomos de carbono y silicio.

Propiedades magnéticas

El carbono puro, en todas sus formas alotrópicas, es diamagnético, lo que significa que muestra una repulsión débil en presencia de un campo magnético externo. Por el contrario, algunos carburos, en particular los carburos de metales de transición, pueden presentar propiedades magnéticas. Por ejemplo, el carburo de hierro (Fe3C), también conocido como cementita, es ferromagnético, lo que significa que puede magnetizarse y ser atraído por imanes. Esta propiedad surge de la presencia de átomos de hierro en la estructura del carburo.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se sintetizan los carburos?

Los carburos se sintetizan normalmente mediante reacciones a alta temperatura. Los métodos habituales incluyen la reacción directa de un elemento con carbono o la reacción de un óxido metálico con carbono en un horno de arco eléctrico, como en la producción de carburo de calcio (CaC₂) a partir de cal (CaO) y coque a unos 2000 °C.

¿Se pueden reciclar los carburos?

Sí, muchos carburos se pueden reciclar. El carburo de tungsteno, por ejemplo, se suele reciclar debido al alto valor y la escasez del tungsteno. El proceso de reciclaje implica tratamientos químicos o la fundición de zinc para recuperar el tungsteno y el cobalto de los desechos de carburo cementado, lo que da como resultado una recuperación de material de más de 80%.

¿Se pueden utilizar carbono y carburos juntos en la misma aplicación?

Por supuesto. En los materiales compuestos, las fibras de carbono suelen combinarse con revestimientos de carburo para mejorar las propiedades. Por ejemplo, los compuestos de carburo de silicio (C/SiC) reforzados con fibra de carbono se utilizan en discos de freno de alto rendimiento, que se benefician de la resistencia del carbono y la resistencia al desgaste del carburo de silicio.