Nuestros profesores nos hicieron aceptar (sin ninguna explicación) que el diamante conduce el calor mejor que el grafito. ¿Cuál es la razón detrás de este (supuesto) hecho?
¿es un conductor térmico aún mejor que la plata?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?El diamante es uno de los mejores conductores térmicos conocidos, de hecho, el diamante es un mejor conductor térmico que muchos metales (conductividad térmica (W/m-K): aluminio=237, cobre=401, diamante=895). Los átomos de carbono en el diamante están hibridados en $\ce{sp^3}$ y cada átomo de carbono está enlazado a 4 otros átomos de carbono ubicados en los vértices de un tetraedro. Por lo tanto, la unión en el diamante es una red uniforme, continua tridimensional de enlaces sigma $\ce{C-C}$ simples. Por otro lado, el grafito está formado por átomos de carbono hibridados en $\ce{sp^2}$ que forman una red de enlaces sigma y pi continua bidimensional. Esta red bidimensional forma láminas de grafito, pero hay poca conexión entre las láminas, de hecho, la separación lámina lámina es de aproximadamente ~3.4 angstroms. Esto podría llevarnos a sospechar que la conducción de calor en la lámina bidimensional de grafito sería superior a la del diamante, pero que la conducción de calor entre las láminas de grafito sería muy baja. De hecho, esta es una descripción precisa de la conducción térmica en el grafito. La conductividad térmica paralela a las láminas de grafito=1950, pero la conducción térmica perpendicular a la lámina=5.7. Por lo tanto, cuando consideramos la conducción térmica en todas las direcciones posibles (anisotrópica), el diamante sería superior al grafito.
Gran respuesta, pero me gustaría provocar: ¿Cómo es que el grafito es tan malo conduciendo calor, pero considerablemente bueno conduciendo electricidad, mientras que el diamante se considera un aislante? En otras palabras, ¿por qué es todo lo contrario, ya que en los metales estas dos propiedades suelen ser proporcionales?
Michael D. M. Dryden
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La respuesta de Ron es genial, pero me gustaría tocar brevemente los mecanismos detrás de la conductividad térmica para que podamos racionalizar las diferencias entre el comportamiento del diamante, el grafito y los metales:
Hay dos formas en las que el calor se transmite a través de los sólidos: los fonones y la conductividad electrónica. Esta última ocurre en sólidos eléctricamente conductores, donde los electrones de la banda de conducción pueden moverse libremente a lo largo de la estructura, llevando consigo energía térmica. Este es un componente significativo de la conductividad térmica de los metales y explica parte de la conductividad en el plano del grafito. Los sólidos eléctricamente conductores suelen ser buenos conductores térmicos por esta razón, pero este modo de conducción no es accesible para el diamante.
Los fonones son muy complicados, pero conceptualmente, los fonones son ondas de vibración en la red de un sólido. (modos de vibración cuantizados, en realidad, pero no es importante para esto) La energía vibracional en una parte de un sólido se transmite a otras partes del sólido como fonones. Lo que limita la rapidez con la que se transfiere el calor por este mecanismo es el esparcimiento de fonones. Los fonones pueden dispersarse en muchas cosas diferentes: defectos cristalinos, impurezas, límites cristalinos, e incluso otros fonones. Es por eso que las sustancias cristalinas (como el diamante) tienden a tener una mayor conductividad térmica que las amorfas (como el vidrio o los polímeros) ya que los fonones se dispersan más cuando no tienen una estructura cristalina ordenada por la que viajar.
La razón por la cual el diamante, en particular, es un conductor térmico especialmente bueno incluso en comparación con otros cristales bien ordenados se reduce a dos factores: la masa de los átomos de carbono y la fuerza de los enlaces que los conectan. No quiero entrar demasiado en detalles, pero brevemente, al igual que un oscilador armónico tiene una frecuencia más alta con un resorte más fuerte (la fuerza de los enlaces C-C) y una masa más ligera (los átomos de C), el diamante puede soportar fonones de mayor energía. Esto significa que a una temperatura dada, habrá menos fonones cerca del límite del material presentes en el diamante que en un material con un límite más pequeño. Los detalles no son importantes, pero cuando los fonones cerca del límite interactúan, se dispersan de tal manera que los fonones no viajan a través de la estructura. Debido a que el límite del diamante es tan alto, la probabilidad de este tipo de dispersión es menor.
Los fonones y los electrones viajan muy bien a lo largo de las láminas de grafeno del grafito, pero mal entre ellas, debido a las débiles interacciones entre capas y a la gran distancia entre ellas, lo que explica la anisotropía de sus conductividades térmica y electrónica.
Los metales exhiben ambos modos de conducción térmica en distintos grados de importancia y conducen isotrópicamente ya que carecen de la estructura en capas del grafito.
