Carbón

El grafito es mucho más reactivo que el diamante en condiciones estándar, a pesar de ser termodinámicamente más estable, ya que su sistema pi deslocalizado es mucho más vulnerable al ataque. ^{[ 29 ]} Por ejemplo, el grafito puede oxidarse con ácido nítrico concentrado caliente en condiciones estándar para formar ácido melítico , C ₆ (CO ₂ H) ₆ , que conserva las unidades hexagonales del grafito a la vez que rompe la estructura más grande. ^{[ 30 ]}

Los compuestos a base de carbono constituyen la base de toda la vida conocida en la Tierra, y el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno proporciona una pequeña porción de la energía producida por el Sol y la mayor parte de la energía en estrellas más grandes (por ejemplo, Sirio ). Aunque forma una extraordinaria variedad de compuestos, la mayoría de las formas de carbono son relativamente poco reactivas en condiciones normales. A temperatura y presión estándar, resiste todos los oxidantes excepto los más fuertes. No reacciona con ácido sulfúrico , ácido clorhídrico , cloro ni ningún álcali . A temperaturas elevadas, el carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono y extrae oxígeno de los óxidos metálicos para dejar el metal elemental. Esta reacción exotérmica se utiliza en la industria del hierro y el acero para fundir hierro y controlar el contenido de carbono del acero : ^{[ 31 ]}

Fe₃ O₄ + 4 C_(s)+ 2O₂ → 3 Fe_(s)+ 4CO_{2 (g)}.

El carbono reacciona con el azufre para formar disulfuro de carbono y reacciona con el vapor en la reacción de gas de carbón utilizada en la gasificación del carbón : ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

C _(s) + H ₂ O _(g) → CO _(g) + H _{2 (g)} .

El carbono se combina con algunos metales a altas temperaturas para formar carburos metálicos, como la cementita de carburo de hierro en el acero y el carburo de tungsteno , ampliamente utilizado como abrasivo y para fabricar puntas duras para herramientas de corte. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

El carbono atómico es una especie de vida muy corta y, por lo tanto, se estabiliza en diversas estructuras multiatómicas con configuraciones moleculares variadas llamadas alótropos . Los tres alótropos de carbono más conocidos son el carbono amorfo , el grafito y el diamante. Los fullerenos , antes considerados exóticos, se sintetizan y utilizan comúnmente en la investigación; incluyen buckybolas , ^{[ 37 ] [ 38 ]} nanotubos de carbono , ^{[ 39 ]} nanobrotes de carbono ^{[ 40 ]} y nanofibras . ^{[ 41 ] [ 42 ]} También se han descubierto otros alótropos exóticos, como la lonsdaleíta , ^{[ 43 ]} el carbono vítreo , ^{[ 44 ]} la nanoespuma de carbono ^{[ 45 ]} y el carbono acetilénico lineal (carbino). ^{[ 46 ]}

El sistema de alótropos del carbono abarca una gama de extremos:

El grafeno es una lámina bidimensional de carbono con los átomos dispuestos en una red hexagonal. En 2009, el grafeno parecía ser el material más resistente jamás probado. ^{[ 52 ]} El proceso de separación del grafeno requerirá un mayor desarrollo tecnológico antes de que sea económicamente viable para procesos industriales. ^{[ 53 ]} De tener éxito, el grafeno podría utilizarse en la construcción de un ascensor espacial . También podría utilizarse para almacenar hidrógeno de forma segura para su uso en un motor de hidrógeno en automóviles. ^{[ 54 ]}

La forma amorfa es un conjunto de átomos de carbono en un estado vítreo irregular, no cristalino, que no se encuentra en una macroestructura cristalina. Se presenta como un polvo y es el principal componente de sustancias como el carbón vegetal, el negro de humo (hollín) y el carbón activado . A presiones normales, el carbono adopta la forma de grafito, en el que cada átomo se une trigonalmente a otros tres en un plano compuesto por anillos hexagonales fusionados , al igual que en los hidrocarburos aromáticos . ^{[ 55 ]} La red resultante es bidimensional, y las láminas planas resultantes se apilan y se unen débilmente mediante fuerzas de van der Waals . Esto le confiere al grafito su suavidad y sus propiedades de clivaje (las láminas se deslizan fácilmente unas sobre otras). Debido a la deslocalización de uno de los electrones externos de cada átomo para formar una nube π , el grafito conduce la electricidad , pero solo en el plano de cada lámina unida covalentemente . Esto resulta en una conductividad eléctrica global menor para el carbono que para la mayoría de los metales. La deslocalización también explica la estabilidad energética del grafito sobre el diamante a temperatura ambiente. ^{[ 56 ]}

A presiones muy altas, el carbono forma el alótropo más compacto, el diamante, que tiene casi el doble de densidad que el grafito. Aquí, cada átomo está unido tetraédricamente a otros cuatro, formando una red tridimensional de anillos de seis miembros de átomos plegados. El diamante tiene la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio , y debido a la fuerza de los enlaces carbono-carbono , es la sustancia natural más dura medida por resistencia al rayado . Contrariamente a la creencia popular de que _" los diamantes son para siempre" , son termodinámicamente inestables ( ΔfG ° (diamante, 298 K )  = 2,9  kJ/mol ^{[ 57 ]} ) en condiciones normales (298  K, 10⁵ ^Pa  ) y teóricamente deberían transformarse en grafito. ^{[ 58 ]} Pero debido a una alta barrera de energía de activación , la transición a grafito es tan lenta a temperatura normal que es imperceptible. Sin embargo, a temperaturas muy altas, el diamante se convierte en grafito, y los diamantes pueden quemarse en un incendio doméstico. La esquina inferior izquierda del diagrama de fases del carbono no ha sido examinada experimentalmente. Aunque un estudio computacional que empleó métodos de teoría del funcional de la densidad llegó a la conclusión de que cuando T → 0 K y p → 0 Pa , el diamante se vuelve más estable que el grafito en aproximadamente 1,1  kJ/mol, ^{[ 59 ]} estudios experimentales y computacionales más recientes y definitivos muestran que el grafito es más estable que el diamante para T < 400 K , sin presión aplicada, en 2,7  kJ/mol a T  =  0  K y 3,2  kJ/mol a T  =  298,15  K. ^{[ 60 ]} Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleíta , una red cristalina hexagonal con todos los átomos unidos covalentemente y propiedades similares a las del diamante. ^{[ 43 ]}

Los fullerenos son una formación cristalina sintética con una estructura similar al grafito, pero en lugar de celdas hexagonales planas únicamente, algunas de las celdas que los componen pueden ser pentágonos, hexágonos no planares o incluso heptágonos de átomos de carbono. De esta manera, las láminas se deforman formando esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (divididos en buckybolas, buckytubos y nanobrotes) aún no se han analizado completamente y representan un área de intensa investigación en nanomateriales . Los nombres fullereno y buckybola se deben a Richard Buckminster Fuller , divulgador de las cúpulas geodésicas , que se asemejan a la estructura de los fullerenos. Las buckybolas son moléculas bastante grandes formadas completamente por carbono unido trigonalmente, formando esferoides (el más conocido y simple es el buckminsterfullereno _C60 con forma de balón de fútbol ). ^{[ 37 ]} Los nanotubos de carbono (buckytubos) son estructuralmente similares a las buckybolas, excepto que cada átomo está unido trigonalmente en una lámina curva que forma un cilindro hueco . ^{[ 38 ] [ 39 ]} Los nanobrotes se reportaron por primera vez en 2007 y son materiales híbridos de buckytubos/buckybolas (las buckybolas están unidas covalentemente a la pared exterior de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una sola estructura. ^{[ 40 ]}

De los otros alótropos descubiertos, la nanoespuma de carbono es un alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Consiste en un conjunto de clústeres de baja densidad de átomos de carbono unidos en una red tridimensional suelta, en la que los átomos están unidos trigonalmente en anillos de seis y siete miembros. Es uno de los sólidos conocidos más ligeros, con una densidad de aproximadamente 2  kg/m³ ^. [ ^{61 ] De} manera similar, el carbono vítreo contiene una alta proporción de porosidad cerrada , ^{[ 44 ]} pero a diferencia del grafito normal, las capas grafíticas no están apiladas como páginas en un libro, sino que tienen una disposición más aleatoria. El carbono acetilénico lineal ^{[ 46 ]} tiene la estructura química ^{[ 46 ]} −(C≡C) _n− .  El carbono en esta modificación es lineal con hibridación de orbitales sp y es un polímero con enlaces simples y triples alternados. Este carbino es de considerable interés para la nanotecnología, ya que su módulo de Young es 40 veces mayor que el del material más duro conocido : el diamante. ^{[ 62 ]}  

En 2015, un equipo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte anunció el desarrollo de otro alótropo al que denominaron carbono Q , creado mediante un pulso láser de alta energía y corta duración sobre polvo de carbono amorfo. Se informa que el carbono Q presenta ferromagnetismo, fluorescencia y una dureza superior a la del diamante. ^{[ 63 ]}

Los isótopos del carbono son núcleos atómicos que contienen seis protones más un número de neutrones (que varía de 2 a 16). El carbono tiene dos isótopos estables que se encuentran en la naturaleza. ^{[ 64 ]} El isótopo carbono-12 ( ¹² C) constituye el 98,93 % del carbono en la Tierra, mientras que el carbono-13 ( ¹³ C) constituye el 1,07 % restante. ^{[ 64 ]} La concentración de ¹² C aumenta aún más en los materiales biológicos porque las reacciones bioquímicas discriminan contra ^{el 13} C. ^{[ 65 ]} En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para los pesos atómicos . ^{[ 66 ]} La identificación del carbono en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) se realiza con el isótopo ¹³ C. ^{[ 67 ]}

El carbono-14 ( ^{14C ) es un} radioisótopo natural , creado en la atmósfera superior ( estratosfera inferior y troposfera superior ) por la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos. ^{[ 68 ]} Se encuentra en cantidades traza en la Tierra de 1 parte por billón (0,0000000001%) o más, confinado principalmente a la atmósfera y depósitos superficiales, particularmente de turba y otros materiales orgánicos. ^{[ 69 ]} Este isótopo se desintegra por emisión β− ^de  0,158 MeV . Debido a su vida media relativamente corta de5700 ± 30  años, ^{[ 13 ] El 14} C está prácticamente ausente en las rocas antiguas. La cantidad de ¹⁴ C en la atmósfera y en los organismos vivos es casi constante, pero disminuye predeciblemente en sus cuerpos después de la muerte. Este principio se utiliza en la datación por radiocarbono , inventada en 1949, que se ha utilizado ampliamente para determinar la edad de materiales carbonáceos con edades de hasta unos 40 000  años. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

Existen 15 isótopos conocidos de carbono, y el de vida más corta es el ^{8C, que se desintegra por emisión de protones y tiene una vida media de 3,5 × 10⁻²¹ s} . [ 13 ] El exótico ^{19C presenta un} halo ^nuclear , lo que significa que su radio es considerablemente mayor de lo que se esperaría si el núcleo fuera una esfera de densidad constante. ^{[ 72 ]}

La formación del núcleo atómico de carbono ocurre dentro de una estrella gigante o supergigante a través del proceso triple alfa . Esto requiere una colisión casi simultánea de tres partículas alfa (núcleos de helio), ya que los productos de reacciones de fusión nuclear adicionales de helio con hidrógeno u otro núcleo de helio producen litio-5 y berilio-8 respectivamente, ambos altamente inestables y que se desintegran casi instantáneamente en núcleos más pequeños. ^{[ 95 ]} El proceso triple alfa ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 megakelvins y concentración de helio que la rápida expansión y enfriamiento del universo primitivo impidieron, por lo que no se creó carbono significativo durante el Big Bang. ^{[ 96 ]}

Según la teoría cosmológica física actual, el carbono se forma en el interior de las estrellas de la rama horizontal . ^{[ 97 ]} Cuando las estrellas masivas mueren como supernovas, el carbono se dispersa en el espacio en forma de polvo. Este polvo se convierte en material componente para la formación de los sistemas estelares de próxima generación con planetas acrecionados. ^{[ 73 ] [ 98 ]} El Sistema Solar es uno de esos sistemas estelares con abundancia de carbono, lo que permite la existencia de la vida tal como la conocemos. La mayoría de los investigadores opinan que todo el carbono del Sistema Solar y la Vía Láctea proviene de estrellas moribundas. ^{[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]}

El ciclo CNO es un mecanismo adicional de fusión de hidrógeno que alimenta a las estrellas, en el que el carbono actúa como catalizador. ^{[ 102 ]}

Las transiciones rotacionales de varias formas isotópicas del monóxido de carbono (por ejemplo, ¹² CO, ¹³ CO y ¹⁸ CO) son detectables en el rango de longitud de onda submilimétrica y se utilizan en el estudio de estrellas recién formadas en nubes moleculares . ^{[ 103 ]}

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento en otro es muy rara. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es prácticamente constante. Así, los procesos que utilizan carbono deben obtenerlo de algún lugar y desecharlo en otro. Las rutas del carbono en el medio ambiente forman el ciclo del carbono . ^{[ 104 ]} Por ejemplo, las plantas fotosintéticas extraen dióxido de carbono de la atmósfera (o del agua de mar) y lo incorporan a la biomasa, como en el ciclo de Calvin , un proceso de fijación de carbono . ^{[ 105 ]} Parte de esta biomasa es consumida por los animales, mientras que parte del carbono es exhalado por ellos en forma de dióxido de carbono. El ciclo del carbono es considerablemente más complejo que este breve bucle; por ejemplo, parte del dióxido de carbono se disuelve en los océanos; si las bacterias no lo consumen, la materia vegetal o animal muerta puede convertirse en petróleo o carbón, que libera carbono al quemarse. ^{[ 106 ] [ 107 ]}

El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados , una propiedad que se denomina catenación . Los enlaces carbono-carbono son fuertes y estables. Mediante la catenación, el carbono forma un número incontable de compuestos. Un recuento de compuestos únicos muestra que hay más compuestos que contienen carbono que los que no lo contienen. ^{[ 108 ]}

La forma más simple de una molécula orgánica es el hidrocarburo, una gran familia de moléculas orgánicas compuestas por átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. La cadena principal de un hidrocarburo puede ser sustituida por otros átomos, conocidos como heteroátomos . Los heteroátomos comunes que aparecen en los compuestos orgánicos incluyen oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y los halógenos no radiactivos, así como los metales litio y magnesio. Los compuestos orgánicos que contienen enlaces con metales se conocen como compuestos organometálicos ( véase más adelante ). Ciertas agrupaciones de átomos, que a menudo incluyen heteroátomos, se repiten en un gran número de compuestos orgánicos. Estas agrupaciones, conocidas como grupos funcionales , confieren patrones de reactividad comunes y permiten el estudio y la categorización sistemáticos de los compuestos orgánicos. La longitud de la cadena, la forma y los grupos funcionales afectan las propiedades de las moléculas orgánicas. ^{[ 109 ]}

En la mayoría de los compuestos estables de carbono (y en casi todos los compuestos orgánicos estables ), el carbono obedece la regla del octeto y es tetravalente , lo que significa que un átomo de carbono forma un total de cuatro enlaces covalentes (que pueden incluir enlaces dobles y triples). Las excepciones incluyen un pequeño número de carbocationes estabilizados (tres enlaces, carga positiva), radicales (tres enlaces, neutros), carbaniones (tres enlaces, carga negativa) y carbenos (dos enlaces, neutros), aunque es mucho más probable encontrar estas especies como intermedios inestables y reactivos. ^{[ 67 ]}

El carbono está presente en toda la vida orgánica conocida y es la base de la química orgánica . Al unirse con el hidrógeno, forma diversos hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, disolventes, como materia prima química para la fabricación de plásticos y productos petroquímicos, y como combustibles fósiles. ^{[ 67 ]}

Cuando se combina con oxígeno e hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes, incluidos azúcares, lignanos , quitinas , alcoholes, grasas, ésteres aromáticos , carotenoides y terpenos . Con nitrógeno, forma alcaloides , y con la adición de azufre también forma antibióticos, aminoácidos y productos de caucho. Con la adición de fósforo a estos otros elementos, forma ADN y ARN , los portadores del código químico de la vida, y adenosín trifosfato (ATP), la molécula de transferencia de energía más importante en todas las células vivas. ^{[ 110 ]} Norman Horowitz , jefe de las misiones Mariner y Viking a Marte (1965-1976), consideró que las características únicas del carbono hacían improbable que cualquier otro elemento pudiera reemplazar al carbono, incluso en otro planeta, para generar la bioquímica necesaria para la vida. ^{[ 111 ]}

Comúnmente, los compuestos que contienen carbono y que están asociados con minerales o que no contienen enlaces con otros átomos de carbono, halógenos o hidrógeno, se tratan por separado de los compuestos orgánicos clásicos; la definición no es rígida y la clasificación de algunos compuestos puede variar de un autor a otro (véanse los artículos de referencia anteriores). Entre estos se encuentran los óxidos simples de carbono. El óxido más prominente es el dióxido de carbono ( _CO₂ ) . Este fue en su momento el principal constituyente de la paleoatmósfera , pero hoy en día es un componente menor de la atmósfera terrestre . ^{[ 112 ]} Disuelto en agua, forma ácido carbónico ( H₂O).₂ CO₃ ), pero como la mayoría de los compuestos con múltiples oxígenos de enlace simple en un solo carbono, es inestable. ^{[ 113 ]} Sin embargo, a través de este intermedio, se producenionescarbonato estabilizados por resonanciala calcita.Disulfuro de carbono(CS₂ ) es similar. ^{[ 30 ]}

El otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Se forma por combustión incompleta y es un gas incoloro e inodoro. Cada molécula contiene un triple enlace y es bastante polar , lo que resulta en una tendencia a unirse permanentemente a las moléculas de hemoglobina, desplazando al oxígeno, que tiene una menor afinidad de unión. ^{[ 114 ] [ 115 ]} El cianuro (CN ⁻ ) tiene una estructura similar, pero se comporta de manera muy parecida a un ion haluro ( pseudohalógeno ). Por ejemplo, puede formar la molécula de cianógeno nitruro ((CN) ₂ ), similar a los haluros diatómicos. Asimismo, el análogo más pesado del cianuro, el ciafuro (CP ⁻ ), también se considera inorgánico, aunque la mayoría de los derivados simples son altamente inestables. Otros óxidos poco comunes son el subóxido de carbono ( C₃ O₂ ), ^{[ 116 ]} el monóxido de dicarbonoinestable(C₂O), ^{[ 117 ] [ 118 ]} trióxido de carbono(CO₃), ^{[ 119 ] [ 120 ]} ciclopentanopentona(C₅O₅), ^{[ 121 ]} ciclohexanohexona(C₆O₆), ^{[ 121 ]} yanhídrido melítico(C₁₂O₉). Sin embargo, el anhídrido melítico es el anhídrido triple acílico del ácido melítico; además, contiene un anillo de benceno. Por lo tanto, muchos químicos lo consideran orgánico. ^{[ 122 ]}

Con metales reactivos, como el tungsteno , ^el carbono forma carburos (C⁴⁻ ⁾ o acetiluros ( C²⁻² ₎ para formar aleaciones con altos puntos de fusión. Estos aniones también se asocian con el metano y el acetileno , ambos ácidos muy débiles. Con una electronegatividad de 2,5, ^{[ 123 ]} el carbono prefiere formar enlaces covalentes . Algunos carburos son redes covalentes, como el carborundo (SiC), que se asemeja al diamante. Sin embargo, incluso los carburos más polares y con características de sal no son compuestos completamente iónicos. ^{[ 124 ]}

Los compuestos organometálicos, por definición, contienen al menos un enlace covalente carbono-metal. Existe una amplia gama de estos compuestos; las clases principales incluyen compuestos alquil-metálicos simples (por ejemplo, tetraetilploruro ), compuestos η²-alqueno (por ejemplo, ^sal de Zeise ) y compuestos η³-alílicos (por ejemplo, ^dímero de cloruro de alilpaladio ); metalocenos que contienen ligandos ciclopentadienilo (por ejemplo, ferroceno ); y complejos de carbeno de metales de transición . Existen muchos carbonilos y cianuros metálicos (por ejemplo, tetracarbonilníquel y ferricianuro de potasio ); algunos investigadores consideran que los complejos de carbonilo y cianuro metálicos sin otros ligandos de carbono son puramente inorgánicos y no organometálicos. Sin embargo, la mayoría de los químicos organometálicos consideran que los complejos metálicos con cualquier ligando de carbono, incluso el "carbono inorgánico" (por ejemplo, carbonilos, cianuros y ciertos tipos de carburos y acetiluros), son de naturaleza organometálica. Los complejos metálicos que contienen ligandos orgánicos sin un enlace covalente carbono-metal (por ejemplo, carboxilatos metálicos) se denominan compuestos organometálicos . ^{[ 125 ]}

Aunque se sabe que el carbono prefiere fuertemente la formación de cuatro enlaces covalentes, también se conocen otros esquemas de enlace exóticos. Los carboranos son derivados dodecaédricos altamente estables de la unidad [B ₁₂ H ₁₂ ] ^2- , con un BH reemplazado por un CH ⁺ . Así, el carbono está unido a cinco átomos de boro y un átomo de hidrógeno. El catión [(Ph ₃ PAu) ₆ C] ²⁺ contiene un carbono octaédrico unido a seis fragmentos de fosfina-oro. Este fenómeno se ha atribuido a la aurofilicidad de los ligandos de oro, que proporcionan una estabilización adicional de una especie que de otro modo sería lábil. ^{[ 126 ]} En la naturaleza, el cofactor de hierro-molibdeno ( FeMoco ) responsable de la fijación microbiana de nitrógeno también tiene un centro de carbono octaédrico (formalmente un carburo, C(-IV)) unido a seis átomos de hierro. En 2016, se confirmó que, en consonancia con predicciones teóricas previas, el dicatión de hexametilbenceno contiene un átomo de carbono con seis enlaces. Más específicamente, el dicatión podría describirse estructuralmente mediante la formulación [MeC(η ⁵ -C ₅ Me ₅ )] ^{2+ , lo que lo convierte en un "} metaloceno orgánico " en el que un fragmento MeC ^{3+ está unido a un fragmento η 5} -C ₅ Me ₅ ⁻ a través de los cinco carbonos del anillo. ^{[ 127 ]}

En los casos anteriores, cada uno de los enlaces al carbono contiene menos de dos pares de electrones formales. Por lo tanto, el número de electrones formales de estas especies no supera el octeto. Esto las hace hipercoordinadas, pero no hipervalentes. Incluso en casos de supuestas especies 10-C-5 (es decir, un carbono con cinco ligandos y un número de electrones formales de diez), como informaron Akiba y colaboradores, los cálculos de estructura electrónica concluyen que la población electrónica alrededor del carbono sigue siendo inferior a ocho, como ocurre con otros compuestos que presentan enlaces de tres centros con cuatro electrones . ^{[ 128 ]}

Existen depósitos naturales de grafito comercialmente viables en muchas partes del mundo, pero las fuentes más importantes desde el punto de vista económico se encuentran en China, India, Brasil y Corea del Norte. ^{[ 144 ]} Los depósitos de grafito son de origen metamórfico y se encuentran asociados con cuarzo , mica y feldespatos en esquistos, gneises y areniscas y calizas metamorfizadas, en forma de lentes o vetas , a veces de un metro o más de espesor. Los depósitos de grafito en Borrowdale , Cumberland , Inglaterra, fueron inicialmente de tamaño y pureza suficientes como para que, hasta el siglo XIX, los lápices se fabricaran cortando bloques de grafito natural en tiras antes de recubrirlas con madera. Hoy en día, se obtienen depósitos más pequeños de grafito triturando la roca madre y dejando flotar el grafito más ligero en el agua. ^{[ 145 ]}

Existen tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas o escamas cristalinas, y en vetas o terrones. El grafito amorfo es el de menor calidad y el más abundante. Contrariamente a la ciencia, en la industria "amorfo" se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño, en lugar de a la ausencia total de estructura cristalina. El grafito amorfo se utiliza para productos de menor valor y es el más económico. Se encuentran grandes depósitos de grafito amorfo en China, Europa, México y Estados Unidos. El grafito en escamas es menos común y de mayor calidad que el amorfo; se presenta como placas separadas que cristalizaron en rocas metamórficas. El grafito en escamas puede costar hasta cuatro veces más que el amorfo. Las escamas de buena calidad se pueden procesar para obtener grafito expandible para diversos usos, como retardantes de llama . Los principales depósitos se encuentran en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. El grafito en vetas o terrones es el tipo de grafito natural más raro, valioso y de mayor calidad. Se presenta en vetas a lo largo de contactos intrusivos en bloques sólidos, y solo se extrae comercialmente en Sri Lanka. ^{[ 145 ]}

Según el USGS , la producción mundial de grafito natural fue de 1,1  millones de toneladas en 2010, de las cuales China aportó 800.000  t, India 130.000 t, Brasil 76.000  t, Corea del Norte 30.000  t y Canadá 25.000 t. No se informó de la extracción de grafito natural en Estados Unidos, pero  en 2009 se produjeron 118.000 t de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones de dólares. ^{[ 145 ]}

La cadena de suministro de diamantes está controlada por un número limitado de empresas poderosas y, además, está altamente concentrada en un pequeño número de ubicaciones alrededor del mundo (véase la figura). ^{[ 146 ]}

Solo una pequeña fracción del mineral de diamante está compuesta por diamantes propiamente dichos. El mineral se tritura, teniendo especial cuidado para evitar que los diamantes más grandes se destruyan durante el proceso; posteriormente, las partículas se clasifican por densidad. Actualmente, los diamantes se localizan en la fracción de densidad rica en diamantes mediante fluorescencia de rayos X , tras lo cual la clasificación final se realiza manualmente. Antes de que el uso de rayos X se generalizara, la separación se realizaba con cintas transportadoras de grasa; los diamantes tienen una mayor tendencia a adherirse a la grasa que los demás minerales del mineral. ^{[ 147 ]}

Históricamente, se sabía que los diamantes solo se encontraban en depósitos aluviales en el sur de la India. ^{[ 148 ]} La India lideró la producción mundial de diamantes desde su descubrimiento, aproximadamente en el siglo IX a. C. ^{[ 149 ]} hasta mediados del siglo XVIII d. C., pero el potencial comercial de estas fuentes se había agotado a finales del siglo XVIII y, en ese momento, la India fue eclipsada por Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes no indios en 1725. ^{[ 150 ]}

La producción de diamantes de depósitos primarios (kimberlitas y lamproitas) comenzó recién en la década de 1870 después del descubrimiento de los campos de diamantes en Sudáfrica. La producción ha aumentado con el tiempo y  se ha extraído un total acumulado de más de 4.5 mil millones de quilates desde esa fecha. ^{[ 151 ]} La mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encontraban en Rusia, Botsuana, Australia y la República Democrática del Congo. ^{[ 152 ]} Para 2005, Rusia producía casi una quinta parte de la producción mundial de diamantes (principalmente en el territorio de Yakutia ; por ejemplo, el yacimiento Mir y el yacimiento Udachnaya ), pero la mina Argyle en Australia se convirtió en la fuente más grande, produciendo 14 millones de quilates en 2018. ^{[ 153 ] [ 154 ]} Se espera que los nuevos hallazgos, las minas canadienses de Diavik y Ekati , se vuelvan aún más valiosos debido a su producción de piedras de calidad gema. ^{[ 155 ]}

En Estados Unidos, se han encontrado diamantes en Arkansas, Colorado y Montana. ^{[ 156 ]} En 2004, un sorprendente descubrimiento de un diamante microscópico en Estados Unidos ^{[ 157 ]} llevó al muestreo masivo de chimeneas de kimberlita en enero de 2008 en una zona remota de Montana. ^{[ 158 ]}

Mientras que los diamantes naturales se forman con el tiempo en las profundidades de la Tierra, los diamantes sintéticos se crean en laboratorios mediante diversos métodos. El método original utiliza alta presión y alta temperatura (HPHT) y aún se usa ampliamente debido a su costo relativamente bajo. El proceso implica grandes prensas que pueden pesar cientos de toneladas para producir una presión de 5 GPa (730 000 psi) a 1500 °C (2730 °F) . El segundo método, que utiliza deposición química de vapor (CVD), crea un plasma de carbono sobre un sustrato sobre el cual se depositan los átomos de carbono para formar diamante. Otros métodos incluyen la formación explosiva (formación de nanodiamantes por detonación ) y la sonicación de soluciones de grafito. ^{[ 159 ] [ 160 ] [ 161 ]}    

La industria del diamante se divide en dos categorías: una que se ocupa de los diamantes de calidad gema y otra, de los diamantes de calidad industrial. Si bien existe un amplio comercio de ambos tipos de diamantes, los dos mercados funcionan de manera radicalmente diferente. ^{[ 89 ]} A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino, los diamantes gema no se comercializan como una materia prima. Existe un margen de beneficio considerable en la venta de diamantes, y no hay un mercado muy activo para su reventa. ^{[ 179 ]}

Los diamantes industriales se valoran principalmente por su dureza y conductividad térmica, siendo las cualidades gemológicas de claridad y color prácticamente irrelevantes. Alrededor del 80 % de los diamantes extraídos (equivalente a unos 100 millones de quilates o 20  toneladas anuales) no son aptos para su uso como gemas y se destinan a uso industrial (conocidos como bort ) . ^{[ 180 ]} Los diamantes sintéticos , inventados en la década de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi inmediatas; se producen anualmente 3  mil millones de quilates (600 toneladas ) de diamantes sintéticos. ^{[ 181 ]} 

El uso industrial dominante del diamante es el corte, la perforación, el rectificado y el pulido. La mayoría de estas aplicaciones no requieren diamantes grandes; de hecho, la mayoría de los diamantes de calidad gema, salvo por su pequeño tamaño, pueden utilizarse industrialmente. Los diamantes se incrustan en puntas de broca o hojas de sierra, o se muelen hasta convertirlos en polvo para su uso en aplicaciones de rectificado y pulido. ^{[ 182 ]} Las aplicaciones especializadas incluyen su uso en laboratorios como contención para experimentos de alta presión (véase celda de yunque de diamante ), cojinetes de alto rendimiento y un uso limitado en ventanas especializadas. ^{[ 183 ] [ 184 ]} Con los continuos avances en la producción de diamantes sintéticos, se están haciendo factibles nuevas aplicaciones. Genera gran interés el posible uso del diamante como semiconductor adecuado para microchips y, debido a su excepcional conductividad térmica, como disipador de calor en electrónica. ^{[ 185 ]}