Formacion del Diamante El Carbono Propiedades del Carbono y Usos



Formación del Diamante
El Carbono: Propiedades y Usos

A pesar de su compleja belleza, realzada artificialmente por el hombre a través de su tallado y pulido, los diamantes poseen una composición muy simple. Se trata de carbono puro, un elemento químico extraordinariamente común en la Tierra, que en el caso de los diamantes cristaliza en el sistema cúbico (dado los elementos de simetría que presenta). Son dos fuerzas, como el calor extremo y la enorme presión, sumadas al milenario paso del tiempo, las que transforman a ese carbón concentrado en verdaderas joyas aún en bruto.

Este proceso se produce a grandes profundidades, entre 120 y 200 kilómetros bajo tierra, en el que se denomina manto superior del planeta. Allí existe abundancia de carbono, compuesto de diversas moléculas orgánicas. Aquel contexto resulta una caldera de magma hirviendo, con las condiciones ideales para que el carbono comience a transformarse en diamante. Allí, la temperatura supera los 1.000 grados centígrados, y la presión es 50.000 veces más intensa que en la superficie.

El grafito es otro mineral formado de carbono puro, aunque difieren entre sí respecto a su estructura interna. En el caso del diamante, los átomos de carbono están estrechamente conectados a otros mediante enlaces co-valentes, creando una malla atómica de muy alta densidad.

Su disposición atómica explica, a su vez, la conocida dureza que poseen los diamantes, a los que se les asigna el puesto más alto, el número 10, en la escala de Mohs, tabla que de manera ascendente determina la dureza de una serie de minerales. De allí se desprende que un diamante no puede ser rayado por ninguna otra sustancia conocida, salvo otro diamante, así como tampoco casi ningún ácido puede dañarlo.

El elemento químico carbono no sólo aparece en el mundo mineral formando parte de los combustibles, sino que se encuentra, en estado de gran pureza, constituyendo dos minerales muy característicos: cuando cristaliza en el denominado sistema hexagonal forma el grafito; cuando lo hace en el cúbico se tiene el diamante.

Cabe indicar que, aun cuando nadie utilice diamantes como combustible, éstos, por ser carbono puro, se “queman» perfectamente: puestos en atmósfera de oxígeno amen igual que un trozo de carbón; se vuelven rojos, convertidos en ascuas, y, finalmente, desaparecen: se han transformado totalmente en anhídrido carbónico. Experimento algo caro que efectuó, hace ya bastantes años, el célebre químico Lavoisier.

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Otro curioso experimento consiste en someter el diamante, colocado en atmósfera de nitrógeno u otro gas inerte, a la acción del arco voltaico: su sistema de cristalización cambia y se convierte en grafito. Cambio que, por cierto, resulta irreversible.

Aun cuando el diamante ofrece gran variedad de usos industriales, su característica más genuina es ser uña piedra preciosa. Todo el mundo sabe que las piedras preciosas son escasas, bonitas y caras; pero es necesario precisar una serie de particularidades para definirlas con propiedad.

La primera de ellas es la inalterabilidad: se comprende que algo de elevado precio, utilizado como joya, deba ser resistente al ataque de cualquier agente. Esta propiedad la presenta, en grado elevado, el diamante; en efecto, sólo se disuelve, en frío, en la mezcla de ácido sulfúrico y bicromato potásico, y, en caliente, en los carbonatos de sodio y de potasio fundidos, en los que es a todas luces imposible que nadie meta una mano ornamentada con un diamante.



La segunda propiedad es la dureza. Mal podría cotizarse a elevado precio algo que se desgastara con facilidad. El diamante la posee en grado superlativo, siendo la sustancia de origen natural más dura que se conoce; lo cual no impide que sea extraordinariamente frágil: si cae simplemente al suelo, según el choque, puede romperse en mil pedazos.

Las demás propiedades son de tipo óptico, y el hombre ha tardado bastantes años en saber aprovecharlas. Extraordinariamente importante es que posea un índice de refracción elevado, lo cual significa que los rayos luminosos sufren un importante cambio de dirección al penetrar en la sustancia. El fuerte brillo de las piedras preciosas se debe, pues, no solamente a la luz que se refleja sobre ellas, sino a la que, entrando por sus bordes y por su parte inferior, sale, gracias al cambio de dirección mencionado, por la parte superior. Esto no ocurre siempre, cualquiera que sea la forma en que se haya tallado el diamante, sino únicamente cuando se ha efectuado la talla en brillante. Los ángulos diedros se calculan ahora matemáticamente.

Tal sistema de tallado, prácticamente el único utilizado hoy en día, fue inventado por Luis de Berquen, natural de Brujas. Había ensayado con piedras pequeñas, pero buscaba unos diamantes grandes para la prueba definitiva. Resultó que Carlos el Temerario poseía tres soberbias piedras y las ofreció en condiciones muy precisas: si salía bien y brillaban más, Luis de Berquen obtendría 3.000 ducados; si salían mal y se rompían, Luis de Berquen perdería la cabeza. Era altamente peligroso el pacto, pues ello ocurría en 1476 y no se disponía de medio alguno para realizar un estudio previo y ver la forma exacta de dar los golpes; pero el de Brujas lo aceptó. La aventura salió bien.

Finalmente, el diamante tiene otra propiedad, asimismo óptica: posee una fuerte dispersión, o sea que en él las desviaciones de la luz de diferentes colores son apreciablemente diferentes. Tal fenómeno produce las extraordinarias irisaciones coloreadas de esta piedra preciosa.

AMPLIACIÓN DEL TEMA

Los diamantes se encuentran en la corteza terrestre en dos tipos diferentes de yacimiento, pero hay, además, diamantes de origen extraterrestre. Estos últimos, los diamantes de los meteoritos, pueden hallarse, de manera indistinta, en los meteoritos pétreos o en los eminentemente metálicos, como el célebre del Cañón del Diablo (Arizona). Al intentar dilucidar el origen de tales piedras preciosas nos encontramos con un hecho de gran interés, y es que la zona superficial de los diamantes meteoríticos aparece convertida en grafito.

Los diamantes extraterrestres poseen tan sólo interés científico, y la totalidad de los utilizados, tanto industrialmente como en joyería, provienen de nuestro planeta. Los yacimientos primarios aparecen constituidos por las denominadas «pipes” en África del Sur, o sea por chimeneas volcánicas de explosión, rellenas de materiales varios triturados y cementados por una lava muy básica de color oscuro —la kimberlita—, en cuyo interior se encuentran las piedras preciosas. Se trata de un tipo de yacimiento muy general, pues es en todo semejante a los encontrados en Katanga, Borneo, Brasil y Arkansas.

Cuando las chimeneas de kimberlita son desmanteladas por la erosión, el arrastre por las aguas y la ulterior sedimentación dan lugar a los yacimientos secundarios o aluvionares. Pueden existir yacimientos secundarios que provengan, a su vez, de otros semejantes: la inalterabilidad y dureza del diamante hacen que resista incólume toda clase de procesos geológicos.

En cuanto al origen de tales piedras preciosas, nada hay definitivamente establecido, pero la teoría de Friedel es quizá la que mejor se adapta a los hechos de observación. Dicha teoría se basa en una aparente contradicción; por una parte, el diamante presenta ciertas anomalías ópticas atribuibles a un cambio de estado alrededor de los 1885ºC; por otra parte, en atmósfera inerte, se transforma superficialmente en grafito, a partir de los 1.500 ºC, tal como ocurre con las piedras meteóricas; pues bien, los diamantes naturales que ofrecen las citadas anomalías ópticas y no aparecen grafitizados son realmente paradójicos, todo indica que han alcanzado los 1885 ºC.; y que no han alcanzado los 1.500 ºC.

chimenea natural diatrema



Los diamantes se obtienen, en gran medida, de chimeneas naturales llamadas diatremas,
provocadas por erupciones volcánicas y formadas de rocas kimberlitas.

Para poder explicar tan sorprendente resultado, Friedel admite que los diamantas se han formado en un medio metálico —en donde no ocurre la citada grafitización al pasar por 1500 ºC—, o sea a gran profundidad: lakimberlita no sería más que el agente de transporte que los ha «subido» hasta la superficie. Bannister opina que, habiéndose hallado diamantes en los meteoritos metálicos, que podemos suponer provenientes del núcleo de otros planetas, no es ninguna fantasía buscar el origen de los terrestres en el núcleo de ferroníquel del nuestro.

Si extraordinario es su origen, no lo es menos su precio. Como la inmensa mayoría son de reducidas dimensiones, su peso se da en quilates. Tal unidad se definió como el peso de una semilla de algarrobo; pero resultando aquél un tanto variable según los países y regiones, se adoptó el quilate métrico, que equivale a 0,2 gramos.

El precio del quilate es muy variable: depende del tamaño de la piedra, de sus cualidades y de las oscilaciones de un mercado muy sensible. Como guía, puede indicarse que entre las dos guerras mundiales osciló entre los 100 y los 250 dólares para los diamantes ya tallados. Las piedras de 5 quilates son poco abundantes en manos de particulares, y las de 20 quilates, rarísimas.

El mayor diamante hallado hasta el presente ha sido el Culliman, procedente de la Premier Mine (Transvaal): pesaba, en bruto, 3.024,75 quilates. De su talla salió un ejemplar de 517 quilates —la mayor piedra tallada—, y otros de 310, 92, 62, 18, 11,8, 6 y 4 quilates, más 96 piedras de tamaño reducido.

El diamante «perfecto» Sinónimos de belleza y perfección, poseer un diamante es también símbolo de poder monetario. Prueba de ello quedó una vez más en evidencia durante una subasta organizada por la casa de remates Christie’s, en Suiza, en mayo de este año. Allí, un particular compró en la cifra récord de 26,7 millones de dólares, un diamante de 101,73 quilates al que se bautizó «Perfección absoluta», dada su talla, transparencia, forma y pureza (en la foto, sostenido por una modelo). Fue encontrado en una mina de Botswana, África, y luego sometido a un tallado que requirió 21 meses de labor. La pieza fue clasificada por el Instituto Americano de Gemología como un diamante «del mejor color, incomparable transparencia, forma perfectamente simétrica y sin defectos».

ALGO MAS SOBRE SU DUREZA:
El más duro:
A pesar de su compleja belleza, realzada artificialmente por el hombre a través de su tallado y pulido, los diamantes poseen una composición muy simple. Se trata de carbono puro, un elemento químico extraordinariamente común en la Tierra, que en el caso de los diamantes cristaliza en el sistema cúbico (dado los elementos de simetría que presenta).

Son dos fuerzas, como el calor extremo y la enorme presión, sumadas al milenario paso del tiempo, las que transforman a ese carbón concentrado en verdaderas joyas aún en bruto. Este proceso se produce a grandes profundidades, entre 120 y 200 kilómetros bajo tierra, en el que se denomina manto superior del planeta. Allí existe abundancia de carbono, compuesto de diversas moléculas orgánicas.



Aquel contexto resulta una caldera de magma hirviendo, con las condiciones ideales para que el carbono comience a transformarse en diamante. Allí, la temperatura supera los 1.000 grados centígrados, y la presión es 50.000 veces más intensa que en la superficie.

El grafito es otro mineral formado de carbono puro, aunque difieren entre sí respecto a su estructura interna. En el caso del diamante, los átomos de carbono están estrechamente conectados a otros mediante enlaces covalentes, creando una malla atómica de muy alta densidad.

Su disposición atómica explica, a su vez, la conocida dureza que poseen los diamantes, a los que se les asigna el puesto más alto, el número 10, en la escala de Mohs, tabla que de manera ascendente determina la dureza de una serie de minerales. De allí se desprende que un diamante no puede ser rayado por ninguna otra sustancia conocida, salvo otro diamante, así como tampoco casi ningún ácido puede dañarlo.

Quizás eso explica el origen etimológico de su nombre, además, que proviene del griego y refiere a invencible. Aunque también es cierto que los diamantes pueden resultar frágiles ante un impacto directo contra una superficie dura.

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Su resistencia al calor es sorprendente. Su punto de fusión es dos veces y medio más alto que el del acero. Se necesitan casi 4.000 grados para fundir esta piedra.

Además, los diamantes ostentan el índice de refracción más alto entre las piedras transparentes naturales. A su vez, la dispersión de la luz blanca al ingresar en su interior es tan fuerte, que produce destellos deslumbrantes.

Fuente: Revista Diario de National Geographic N°42 La Piedra Más Preciosa

UN POCO DE HISTORIA
EL DESCUBRIMIENTO DEL CARBONO

Los autores del experimento fueron dos investigadores italianos: José Averani y Cipriano Targioni, discípulos del gran Galileo. Pusieron bajo el calor de los rayos solares, pasados a través de una lente, algunos diamantes puestos a su disposición por la generosidad del duque Cosme III de Médicis. Su relato fue el siguiente:

«El diamante, considerado por todos de tal dureza que no hay fuerza alguna que consiga dominarlo, resiste menos que las demás piedras preciosas a la acción del fuego. Ya que donde las demás piedras poco o nada llegan a consumirse, el diamante desaparece totalmente». En efecto, lo que más había asombrado a les dos académicos era el hecho de que los diamantes se hubieran volatilizado completamente, sin dejar el menor residuo de cenizas o escoria. La cosa, por el momento, quedó sin ninguna explicación que resultara medianamente aceptable.

Para que se hiciera algún progreso en este campo hubo que esperar, casi un siglo después, los trabajos del gran químico francés Lavoisier. También él probó calentar algunas de aquellas piedras, pero manteniéndolas encerradas en un recipiente del cual se había sacado totalmente el aire. Las piedras se recalentaron violentamente, pero no se volatilizaron y, después de la experiencia, permanecían allí, intactas, no obstante haber sufrido una altísima temperatura.

Lavoisier repitió el experimento; pero en esta oportunidad, sobre los diamantes incandescentes, insufló un fuerte chorro de oxígeno: súbitamente las piedras ardieron y se convirtieron en gas. Lavoisier no fue capaz de identificar el gas formado por la combustión de los diamantes, pero observó que dicho gas tenía las mismas propiedades que el anhídrido carbónico que se formaba quemando carbón; y llegó a la conclusión de que entre los diamantes y el carbón debía existir un cierto… parentesco que parecía ser bastante cercano.

Desdichadamente, Lavoisier cayó víctima de la Revolución Francesa y no pudo continuar con sus experimentos. Fue el químico inglés Tennant, pocos años después de la muerte de Lavoisier, quien verificó que la cantidad de gas que se formaba quemando un peso igual de carbón y de diamantes era idéntica. Aquel gas era pues, sin duda, anhídrido carbónico; conclusión: el carbón y los diamantes estaban formados por la misma sustancia: el carbono.

UNA CURIOSIDAD ARGENTINA
Películas de dureza similar a la del diamante
Un grupo interdisciplinario de científicos de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) desarrolló una película de dureza similar a la del diamante, que se estima tendrá múltiples aplicaciones industriales. Su valiosa peculiaridad es que puede obtenerse en forma sencilla y económica a partir de un compuesto insólito: el metano, más conocido como «gas de los pantanos»‘.

Mas allá de su valor como piedra preciosa, el diamante posee una interesante variedad de propiedades que lo transforman en un material de gran interés tecnológico. Estas propiedades son: la dureza (es el material más duro conocido), su transparencia óptica, su capacidad de aislación eléctrica y el hecho de ser el mejor conductor térmico.

Estas particularidades hacen de él un material de características únicas, atractivo para aplicaciones muy variadas, que van desde los revestimientos resistentes al desgaste para componentes ópticos y mecánicos, hasta su empleo como materia prima para la fabricación de semiconductores.

Muchos laboratorios de países tecnológicamente desarrollados se lanzaron a la búsqueda de técnicas que permitan fabricar películas delgadas de diamante o con propiedades parecidas a él. Los métodos empleados son diversos, pero comparten una desventaja: la mayoría requiere que la superficie a recubrir se encuentre a altas temperaturas (1.000 °C) y/o presión (miles de atmósferas), característica que encarece el proceso.

Algunos métodos producen películas policristalinas de diamante, es decir, pequeños diamantes de dimensiones micrométricas, uno al lado del otro. Otros logran superficies homogéneas con características similares a la piedra preciosa.

En la Argentina, los científicos de la CNEA obtuvieron una delgada película de diamante mediante un procedimiento ya conocido, pero lo juzgaron poco aplicable a la industria porque persisten los problemas de homogeneidad y adherencia, además de los ya mencionados de temperatura y presión. Se volcaron, entonces, a los filmes con características similares a las del diamante (diamond-like films) y lograron desarrollar un método que puede ser aplicado a la industria en forma inmediata. El revestimiento desarrollado por los investigadores de la CNEA se obtiene mediante la ionización y posterior fragmentación de las moléculas de metano. Una vez separados, se impulsan sus componentes con una determinada energía, que les permite implantarse en el material a recubrir con una extremada adherencia.

Las películas que se obtienen tienen espesores de alrededor de una milésima de milímetro y se adaptan a casi todo tipo de material y superficie, otorgándoles gran dureza superficial y resistencia al desgaste. Se ha probado sobre diferentes materiales como plástico, vidrio, silicio, acero, y el resultado ha sido óptimo. El hecho de que la película tenga una muy elevada resistencia al desgaste, una alta conductividad térmica (es tres veces mejor conductor que el cobre), que sea aislante eléctrico, inerte químicamente y constituido por carbono, abre las puertas para su potencial aplicación en herramientas, prótesis quirúrgicas, lentes, trépanos, rodamientos, etcétera.

Con el diamante como protagonista, el valioso aporte argentino ha abierto otra puerta a la ciencia de los materiales y al desarrollo tecnológico.

Fuente:  Trabajando y produciendo para el país. Comisión Nacional de Energía Atómica, Buenos Aires

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