X. FILAMENTOS DE GRAFITO

Y CUANDO VINO LA NOVENA NOCHE

SCHEREZADA dijo: ñOh Rey mío!, esta noche he de relatarte lo que le sucedió al joven Zeitún con su barbero, mientras el sabio Al Raschid daba su conferencia. Zeitún mandó llamar al barbero para que lo arreglara y lo dejara muy bien presentado, ya que tenía una cita con la joven hija del cadí, que era muy hermosa y tenía prohibido recibir visitas. En cuanto llegó el barbero, Zeitún le advirtió que no fuera parlanchín y que lo arreglara rápidamente, ya que tenía que ver a la joven antes de que terminara la conferencia de Al Raschid. En efecto, el padre de la joven era muy aficionado a las ciencias y no volvería antes de que el maestro hubiese terminado, por tarde que fuera. Pero al barbero, según parece, la recomendación le entró por un oído y le salió por el otro.

El barbero inició la conversación apenas había empezado a arreglarle la cabeza a Zeitún.

—He de relatarte, Zeitún, un fenómeno que sucede en las superficies, es muy interesante. Ocurre según una serie de reacciones elementales en las que intervienen, al menos en una de ellas, una superficie rígida e inmóvil: el catalizador.

—A mí qué me importan estas historias tuyas. Lo que necesito es que termines rápido, así que date prisa.

El barbero, como si no hubiera oído una palabra, prosiguió.

—En la reacción de descomposición del CO o del acetileno a altas temperaturas sobre ciertos metales, se forman partículas metálicas cónicas y filamentos de carbón, y tal parece que el carbón depositado no sólo reacciona sobre la superficie de la partícula de metal, sino que penetra por una de sus caras, se difunde y sale por el otro lado para formar filamentos grafíticos. Cabe mencionar que ciertas caras, la (111), en el caso de un metal fcc, permanecen siempre activas catalíticamente...

—Ya te dije que no me interesan tus historias y que te apresures, ya tengo que irme.

—Pero, ¿cómo es posible que no te interese toda esta información y que sólo te importe ir a reunirte con esa bella joven?, ñignorante!

—Tus historias serán muy interesantes pero yo tengo prisa.

El joven pensó que, con esta súplica, el barbero efectuaría más rápido su trabajo, pero sucedió todo lo contrario.

—Pues ahora te voy a asombrar aún más. Supón que tienes una superficie lisa de grafito con partículas pequeñas de metal depositadas encima. Si mando hidrógeno sobre este sistema se puede dar la reacción siguiente:

C+2H₂ ñ CH₄

Y lo curioso del asunto es que al final, si pudieras mirar el sólido en un microscopio, comprobarías que la superficie del grafito se ha vuelto irregular, canales como carreteras por las que hubieran corrido las partículas metálicas habrán aparecido. Es como cuando uno hace rodar una pelota pesada sobre una superficie bien lisa de arena, se forma igual un surco. Así, también las partículas del metal se mueven cuando el grafito se hidrogena a alta temperatura para formar CH₄.

Zeitún estaba ya tan furioso que quiso levantarse sin que el barbero terminara su trabajo, pero, al mirarse en el espejo vio que era imposible: el barbero apenas si había efectuado la mitad de su trabajo y aún daba la impresión de persona desaseada. Francamente encolerizado gritó:

—ñBarbero endemoniado, quieres terminar de una vez!

Pero el barbero, con una pachorra infinita, empezó a afilar la navaja mientras continuaba:

—No te lo creerás, pero cuanto te he contado se ha comprobado experimentalmente. Los agregados metálicos, al cambiar de posición, cavan surcos rectos. En este caso el mecanismo que se acepta por lo general es que la reacción ocurre en la zona de contacto del metal (platino por ejemplo) con el grafito y que la etapa más lenta es el rompimiento de los enlaces C-C para separar los átomos de carbono de la red de grafito.

Entre más furioso estaba Zeitún contra el barbero parlanchín, que se había empeñado en que se enterase de lo que son los filamentos de carbono y los surcos que se forman en el grafito, mas seguía el hombre desarrollando el tema.

—Debo informarte que se han efectuado innumerables trabajos de investigación sobre la oxidación y la reducción del grafito, utilizando como catalizadores más o menos 40 metales, óxidos metálicos y sales. Se han propuesto mecanismos de reacción para explicar los efectos del níquel, del platino, del paladio, del hierro y del cobre y hasta de algunos metales de transición.

Zeitún desesperado le tomó un brazo al barbero quedando en el aire la navaja con la que lo estaba afeitando, y, así, le dijo:

—Barbero parlanchín, o te apresuras o con esta misma navaja te corto una oreja.

El barbero se asustó de momento y apresuradamente reanudó su trabajo. Pero pasado el susto y viendo que Zeitún se tranquilizaba continuó con su explicación:

—Se han utilizado como reactivos oxidantes combinaciones de oxígeno, vapor y CO₂ y como medio reductor usualmente el hidrógeno y, como vio que Zeitún cabeceaba y que le faltaba poco para terminar, prosiguió:

—Durante la gasificación, las partículas activas catalíticamente se trasladan continuamente o bien permanecen en contacto con nuevas porciones del sustrato de carbón. Así, se forman canales pero también pueden aparecer pozos o túneles. Lo que se conoce más comúnmente son los canales. La dirección está dada por el plano del carbón; que depende del plano cristalográfico de la partícula de metal que esté en contacto con el grafito (Figura 19).

 

Figura 19. Micrografía de un cristal de grafito en la que se observan canales debidos a la oxidación a alta temperatura. Estos canales son el camino de las partículas metálicas que se mueven. La imagen se obtuvo en un microscopio (X250).

Y, moviendo lentamente las tijeras precisó: —Es así como, en el caso de la hidrogenación del grafito, las partículas de platino que se encuentran al final de los canales tienen generalmente la cara (110) en contacto con el grafito, mientras que las partículas que no se mueven presentan la cara (111).

—Deja ya de hablar; pon atención en lo que haces y no me vayas a cortar. Termina de una vez, barbero parlanchín.

—La energía de activación que se obtiene en la hidrogenación es de 37 k cal/mol en un intervalo de temperatura que va de 750 a 950ñC y el orden de reacción es de 2.7.

Zeitún vio el reloj avanzar aceleradamente, y al barbero sin la menor intención de terminar, ya que lo había cubierto con una toalla húmeda y seguía hablando.

—Si en lugar de hidrógeno se utiliza oxígeno —dijo— las partículas de metal no cavan surcos y además no presentan ninguna estructura típica.

Fue entonces que Zeitún le tiró la toalla a la cabeza en gesto de impaciencia y se levantó con intención de retirarse. El barbero con toda calma lo tomó por los hombros y lo sentó de nuevo para continuar su trabajo y por supuesto su relato.

—Como veo que el tema de los canales en el grafito, no te apasiona, voy a volver a hablarte de los filamentos. Aunque hay gran cantidad de formas reportadas para los filamentos grafíticos y para las partículas que se encuentran en el extremo, he de decir que a mí me recuerdan la de tus cabellos, Zeitún, es decir delgados y con la punta un poco enroscada (Figura 20). Claro, en los filamentos, al final está la partícula de metal que es como un cono truncado. Debo resaltar que algunos filamentos son dobles probando que la partícula del metal que los genera está formada por dos cristalitos cónicos. Sobre la cara superior de dichos conos (la (111), para metales (fcc) sólo se observaba un capa muy delgada de carbón amorfo y en los lados es donde está adherido el grafito (Figura 20). Las energías de activación medidas, para varios metales y gases, son siempre iguales a la energía de activación necesaria para difundir carbón en el metal correspondiente.

Figura 20. Filamentos observados en el microscopio.

Zeitún tenía que estar presentable para visitar a la hija del cadí antes de que terminase la conferencia de Al Raschid. Así que, decidido a irse, se levantó y se miró al espejo y ñoh sorpresa!, tenía sólo la mitad de la cabeza arreglada. De muy mal modo se sentó y esperó a que el barbero terminara; éste, en lugar de apresurarse, empezó con lo siguiente:

—En el caso del sistema Pt/C y, por medio de medidas termodinámicas, se ha podido calcular la energía de activación para la reacción del grafito en las distintas atmósferas gaseosas. El, mecanismo generalmente aceptado para el crecimiento de los filamentos de carbón sigue los siguientes pasos (Figura 21).

Figura 21. Mecanismos de formación de los filamentos grafíticos y de los canales en el grafito por la presencia de partículas metálicas.

a) Adsorción del gas en la superficie del metal seguido por una reacción de descomposición originando una capa de carbono químicamente adsorbida.

b) Disolución y difusión de especies de carbono a través de la partícula del metal.

c) Precipitación de las especies de carbono para formar el cuerpo del filamento.

Puede ser que las especies de carbono implicadas en este proceso sean químicamente diferentes. El proceso inverso explica la aparición de los canales (Figura 21).

Al terminar el barbero esta parrafada, Zeitún no pudo más, saltó, arrojó la toalla que tenía en el pecho, lanzó mil insultos al barbero y salió corriendo. En la puerta escuchó los aplausos que señalaban el final de la conferencia. Por lo tanto, ya no era hora de visitar a la hija del cadí, ya que su padre estaría a punto de regresar. El barbero, con mucha calma trató de tranquilizarlo.

—Todo pasó, no te encolerices y entérate con calma de todo lo que se sabe acerca de los filamentos de grafito. Mientras tanto terminaré de arreglarte. No sé de qué te quejas, así matarás dos pájaros de un tiro. Mucho es que te instruyas mientras quedas limpio, afeitado y peinado. No puedes pretender además visitar a la vez a la bella hija del cadí. Entiende que se debe uno dar tiempo para cada cosa.

Lo que nunca supo Zeitún es que el cadí, al tanto de los planes de Zeitún, había contratado al barbero para que lo entretuviera y le impidiera salir mientras durara la conferencia. Y así termina la triste historia de los amores contrariados de Zeitún y de la bella hija del cadí.

Pero estos asuntos de metales y carbones me recuerdan un cuento que gira alrededor de lo que es el acero y de cómo se obtiene.

GLOSARIO

acetileno. Hidrocarburo gaseoso que se obtiene por la acción de agua sobre el carburo de calcio y se emplea para el alumbrado.

cara cristalina. Espacio o superficie que da la forma de un cristal.

catalizador. Cuerpo cuya presencia basta para modificar la velocidad con que reaccionan otros dos cuerpos.

índices de Miller. La posición de un plano en el espacio puede ser representada por tres puntos en un sistema de coordenadas X, Y y Z. Los índices de Miller son el recíproco de la intersección del plano con los ejes de dicho sistema de coordenadas.

medio reductor. Ambiente por medio del cual se le quita oxígeno a un cuerpo que lo contiene.

metal fcc. Aquel que tiene una estructura cúbica centrada en las caras.

orden de reacción. Los pasos intermedios que controlan la cinética de una reacción son el orden de la reacción. Está en relación con el número de moléculas que intervienen en la reacción.

oxidar. Combinar el oxígeno con otro cuerpo, convertirlo en óxido.

reactivo oxidante. Sustancia química que oxida o sirve para oxidar.