Menuda joya...

Hoy voy a hacer un estudio de una de las escenas de Superman que vimos en clase, que además está muy relacionado con algo que se pregunta todo hijo de vecino que empieza a estudiar química en el instituto y piensa que va a cambiar el mundo con su idea revolucionaria. Si el grafito y el diamante tienen exactamente la misma composición, ¿por qué no convertimos el grafito en diamante? No puede ser tan difícil...

Fijándonos en el diagrama de fases del carbono, vemos claramente que su forma estable en condiciones atmosféricas (1atm, 298K) es el grafito. Ahora bien, cambiando estas condiciones está claro que podemos obtener carbono en cualquiera de sus otras formas alotrópicas, como el diamante, que aunque no es la estructura más estable termodinámicamente hablando (es decir, no es la de menor energía), existe sobre la superficie terrestre, manteniéndose en un estado metaestable.

Un estado metaestable en química es, por así decirlo, el equivalente de un punto de equilibrio inestable en física. Esto es, un ligero cambio en las condiciones (en este caso presión y temperatura) pueden provocar un cambio en el sistema hacia la fase más estable. El proceso de transformación de carbono en grafito es espontáneo. Sin embargo, no se ha dado ningún caso hasta el momento de ningún millonario de turno que se haya comprado un diamante y se haya encontrado un cacho de mina de lápiz un día en el cajón, así de repente. Esto se debe a que la energía de activación de este proceso es extremadamente alta, tanto que, a pesar de ser espontáneo, el proceso es tan sumamente lento que no es observable a escalas temporales de una vida humana.

Esta energía de activación depende únicamente de la temperatura, a temperaturas más altas habrá una mayor proporción de partículas que superen esta barrera energética y pasen de un estado a otro (en el sentido espontáneo si no hay agentes externos que modifiquen el sentido de la reacción).

Ahora bien, las cosas cambian cuando nos encontramos a un agente externo, y no a un agente externo cualquiera, sino al señor Superman, que coge un puñadito de carbón de una mina, aprieta muy fuerte y en unos segundos saca un diamante perfectamente pulido de un tamaño más que respetable.

Analicemos. Volviendo a mirar el diagrama de fases, considerando que la temperatura sigue siendo todo el rato la ambiental, vemos que se alcanza la línea de equilibrio grafito-diamante a una presión de aproximadamente 20kbar. Es decir, unas 15000atm. 15000 veces la presión atmosférica al nivel del mar. Poniéndole al diamante una superficie de unos 6cm2 (que ya tiene que ser grande el diamante de las narices), me sale una fuerza de...
15000atm x 6cm2 x (101300Pa/1atm) x (1m2/10000cm2) = 911700N.

Como si levantas un autobús de casi 100 toneladas y te pones a hacer pesas. Pero bueno, sabiendo lo que hay en otros momentos estelares de las pelis de Superman, nos lo creemos. Es capaz de provocar ese aumento de presión, modifica el sentido de la reacción, crea unas condiciones en las que es posible termodinámicamente convertir el grafito en diamante.

Recalco el “termodinámicamente”. Aquí es donde nos surge verdaderamente el problema. La cuestión es que, en un proceso como éste, influyen dos factores: el termodinámico y el cinético. El primero nos indica si el proceso es posible o no (y ya hemos visto que, si nos tragamos la superfuerza, es posible), pero no nos dice nada de la velocidad de la reacción. Esta velocidad viene determinada por una constante, que sacamos de nuestra famosa ecuación de Arrhenius k = Ae^(-Ea/RT). De aquí se deduce fácilmente que, a mayor energía de activación, menor constante de velocidad.

Aquí vienen a cuento dos comentarios que hice antes: el primero, que la transformación de diamante en grafito es espontánea pero tiene una energía de activación altísima. Y el segundo, que la energía de activación sólo depende de la temperatura. Ya que habíamos concluido que Superman cambia la presión pero no la temperatura, no influye en absoluto en la energía de activación del proceso. Además, observando la gráfica de un perfil de reacción de productos menos energéticos que los reactivos, vemos que la energía de activación del proceso inverso es todavá mayor que la del directo. Es decir, que si el diamante tardaba su tiempo en convertirse en grafito, éste tardará aún más en transformarse en diamante, por mucho que se den las condiciones termodinámicas idóneas.

Igual entre los poderes de Superman está el de pulsar el botón de fast forward y adelantar de golpe millones de años sin que nadie lo note, pero si no... creo que esta vez nos han mentido vilmente. He ahí mi conclusión de todo este rollo. Vamos a tener que buscarnos otra estrategia para hacernos millonarios...