Carbón

El carbono es el elemento químico de la tabla periódica de elementos que tiene número atómico 6 y símbolo C. [8] Es el primer elemento del grupo 14 del sistema periódico , que forma parte del bloque p . Es un elemento no metálico , tetravalente (y rara vez bivalente [9] ), insoluble en disolventes comunes, [10] inodoro e insípido. [10] Sus diferentes formas (o más precisamente alótropos ) incluyen uno de los materiales más blandos ( grafito ) y más duros ( diamante ) que se conocen. Otras formas alotrópicas de carbono son el carbono amorfo y los fullerenos .

Además, tiene una gran afinidad por los enlaces químicos con átomos de otros elementos de bajo peso atómico (incluido el propio carbono) y su pequeño tamaño lo hace capaz de formar enlaces múltiples. Estas propiedades permiten la existencia de 10 millones de compuestos de carbono. Los compuestos de carbono forman la base de toda la vida en la Tierra , y el ciclo de carbono-nitrógeno proporciona parte de la energía producida por las estrellas.

El carbono se encuentra en todas las formas de vida orgánica [10] y es la base de la química orgánica . [9] Este no metal tiene la interesante característica de poder unirse consigo mismo y con una amplia gama de elementos (produciendo más de 10 millones de compuestos ). Combinado con el oxígeno , forma dióxido de carbono , que es absolutamente vital para el crecimiento de las plantas . Combinado con el hidrógeno forma varios compuestos llamados " hidrocarburos ", que son esenciales para la industria en forma de combustibles fósiles .

Aunque el isótopo más común es el carbono-12 (cuyo núcleo está formado por 6 protones y 6 neutrones ), el isótopo carbono-14 también tiene una importancia fundamental por sus aplicaciones prácticas, siendo comúnmente utilizado para la datación radiactiva de hallazgos antiguos. [11]

Historia

El carbono (del latín carbo que significa "carbón" [2] ) ya era conocido por las poblaciones antiguas que lo producían quemando materia orgánica con poco oxígeno. En particular, se utilizó en la producción de tintas . [12] En el siglo XVIII, Lavoisier la reconoció como una sustancia simple (es decir, formada por átomos del mismo elemento químico ). [12] Posteriormente su peso atómico fue determinado por Berzelius . [12]

Aunque conocido desde la antigüedad, el diamante fue identificado como una forma alotrópica de carbono recién en 1796, gracias a la investigación del químico inglés Smithson Tennant , quien demostró que la combustión del diamante simplemente producía dióxido de carbono (CO 2 ). [2] La tetravalencia del carbono fue comprobada en 1858 por Friedrich August Kekulé von Stradonitz . [13]

En 1961 , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) introdujo el carbono-12 como referencia para la definición de pesos atómicos . [14] Los fullerenos (alótropos de carbono ) se descubrieron como subproducto de experimentos con rayos moleculares en 1985. En los años siguientes se descubrieron otras formas de carbono, siempre pertenecientes a la categoría de los fullerenos.

El carbono tiene tres isótopos que son naturales y están disponibles en la naturaleza. Los dos más abundantes son estables: 12 C (98,93 %) y 13 C (1,07 %). El tercer 14 C, también conocido como radiocarbono , es un radioisótopo con una vida media de 5570 años [7] que se utiliza para datar madera y otros materiales de origen biológico en yacimientos arqueológicos.
En 1961 , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para la medición del peso atómico.

Los cuadros de colores corresponden a isótopos estables.

12 O 13 O 14 O 15 O 16 O 17 O 18 O 19 O

10 no 11 no. 12 no. 13 no. 14 no. 15 no. 16 norte 17 no. 18 norte

8C _ 9C _ 10C _ 11C _ 12C _ 13C _ 14C _ 15C _ 16C _ 17C _

6B _ 7B _ 8B _ 9B _ 10B _ 11B _ 12B _ 13B _ 14B _ 15B _ 16B _

5 ser 6 ser 7 ser 8 ser 9 Ser 10 ser 11 ser 12 ser 13 ser 14 ser 15 ser

	12 O	13 O	14 O	15 O	16 O	17 O	18 O	19 O
	10 no	11 no.	12 no.	13 no.	14 no.	15 no.	16 norte	17 no.	18 norte
	8C _	9C _	10C _	11C _	12C _	13C _	14C _	15C _	16C _	17C _
6B _	7B _	8B _	9B _	10B _	11B _	12B _	13B _	14B _	15B _	16B _
5 ser	6 ser	7 ser	8 ser	9 Ser	10 ser	11 ser	12 ser	13 ser	14 ser	15 ser

Alótropos

El carbono tiene muchas formas alotrópicas estándar más una forma alotrópica exótica:

diamante ( hibridación sp ³ , muy dura , 10 en la escala de Mohs , con módulo de compresibilidad442 GPa );
grafito ( hibridación sp² , una de las sustancias más blandas, 0,5-2 en la escala de Mohs);
el grafeno , un material que consta de una sola capa de grafito de átomos de carbono;
grafino [15] (hexágonos de C sp ², como en el grafeno, conectados entre sí en cada vértice por una o más unidades acetilénicas −C≡C−, C sp );
lonsdaleita o diamante hexagonal, hibridación sp³, con dureza 7-8 en la escala de Mohs;
fullerita ( fulerenos y nanotubos de carbono hibridación sp² , moléculas a nanoescala, huecas con superficie grafítica);
nanoespuma de carbono , un alótropo ferromagnético de muy baja densidad;
nanorod , agregados de carbono o ACNR o ADNR, la sustancia más dura y menos comprimible conocida (desde 2005), con491 GPa de módulo;
carbón vítreo ( sp² ), utilizado para electrodos y crisoles para altas temperaturas.
forma de cadena lineal de átomos de C unidos por enlaces simples y triples alternos, [−C≡C−] n [16] , es decir, una poliína; se le llama "carbon sp " o " carbine " (en inglés); es una forma metaestable exótica obtenida por ahora solo en el laboratorio con sofisticadas técnicas físicas de haces moleculares supersónicos en condiciones de ultra alto vacío ;
carbono amorfo (no exactamente un alótropo).

El carbono también puede tener diferentes tipos de hibridación dentro de la misma forma alotrópica; ejemplos de alótropos de este tipo son las películas nanoestructuradas ensambladas en grupos y las schwarzitas .

Carbono amorfo

En su forma amorfa , el carbono tiene un cierto orden de su estructura atómica de corto alcance, pero menor que la presente en el grafito y el diamante [17] . Puede venir en forma de polvo de carbón u hollín .

Grafito

El término " grafito " fue introducido en 1789 por Abraham Gottlob Werner y deriva del griego γράφειν (graphein , "dibujar/escribir", por su uso en lápices). Es la forma alotrópica más común de carbono. En el grafito, cada átomo está unido a otros tres en un plano formado por anillos hexagonales fusionados, como los de los hidrocarburos aromáticos . Las dos formas conocidas de grafito, alfa (hexagonal) y beta (romboide), tienen propiedades físicas idénticas, excepto por la estructura cristalina. El grafito que se encuentra en la naturaleza contiene hasta un 30% de la forma beta, mientras que el grafito producido sintéticamente contiene solo la forma alfa. La forma alfa se puede convertir en forma beta a través de un tratamiento mecánico y la forma beta vuelve a la forma alfa cuando se calienta por encima de 1000 ° C.

El grafito conduce la electricidad, debido a la deslocalización de los electrones π forzados a moverse por encima y por debajo de los planos del átomo de carbono. Estos electrones pueden moverse libremente, por lo que pueden conducir electricidad. Sin embargo, la electricidad se conduce solo a lo largo del plano de los estratos. El diamante, en cambio, no conduce electricidad porque la banda HOMO está completamente llena y la próxima banda vacía está distante en energía unos 5,5 eV [18] , mayor que la del silicio que, con una estructura perfectamente similar y con un banda completa, tiene un intervalo de banda de solo 1,12 eV [19] . Al igual que el silicio, el diamante puede convertirse en un semiconductor cuando se dopa, pero esto es más difícil.

En el grafito, cada átomo de carbono usa solo 3 de sus 4 electrones del nivel de energía externo para unirse covalentemente a otros tres átomos de carbono. Cada átomo de carbono contribuye con un electrón a un sistema de electrones deslocalizados que, por lo tanto, es parte del enlace químico. Los electrones deslocalizados son libres de moverse por todo el plano. Debido a esto, el grafito conduce la electricidad a lo largo de los planos de los átomos de carbono, pero no en una dirección en ángulo recto con el plano.

A diferencia del diamante, el grafito es un conductor eléctrico y en este sentido se puede utilizar, por ejemplo, como electrodo de la lámpara de arco eléctrico . En condiciones estándar , es la forma más estable de carbono y, por lo tanto, se usa en termoquímica como un estado estándar para definir el calor de formación de compuestos de carbono. El grafito en polvo se utiliza como lubricante seco. Si bien se podría pensar que esta propiedad de importancia industrial se debe por completo a la descamación de las capas de la estructura, en realidad, en un entorno de vacío (como en las tecnologías para uso en el espacio), se ha descubierto que el grafito es un mal lubricante. Este hecho llevó a descubrir que el grafito tiene propiedades lubricantes gracias a la absorción de aire y agua entre una capa y otra y por tanto, en el vacío, no tenía esta propiedad en ausencia de material a absorber. Cuando una gran cantidad de defectos cristalográficos unen múltiples planos de la estructura, el grafito pierde sus propiedades lubricantes y se convierte en lo que se conoce como carbón pirolítico , un material útil en implantes que a menudo están en contacto con la sangre, como las válvulas del corazón.

Como ya se mencionó, el grafito es el alótropo más estable del carbono. Contrariamente a la creencia popular, la alta pureza no permite que el grafito se queme, incluso a altas temperaturas. Por esta razón es excelente para reactores nucleares y crisoles de fusión de metales . A altas temperaturas (alrededor de 2000 °C y a una presión de5 GPa ), el grafito se convierte en diamante. A presiones muy altas, el carbono forma un alótropo llamado diamante, en el que cada átomo está unido a otros cuatro. Los diamantes tienen la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio y, gracias a la fuerza del enlace químico carbono-carbono, junto con el nitruro de boro es la sustancia más dura en términos de resistencia al roce. La transición a grafito, a temperatura ambiente, es tan lenta que es indetectable. Bajo ciertas circunstancias, el carbono cristaliza como lonsdaleita , una forma similar al diamante pero con una estructura hexagonal . [7]

Los grafitos naturales y cristalinos no se utilizan a menudo en forma pura como materiales estructurales debido a su resistencia al cizallamiento, su fragilidad y sus propiedades mecánicas inconsistentes. En las formas sintéticas de consistencia vítrea, el grafito pirolítico y las fibras de grafito son extremadamente fuertes, resistentes al calor (hasta 3000 °C). La descamación del grafito se debe a las débiles fuerzas de van der Waals que mantienen unidos los planos. Densidad : la gravedad específica del grafito es 2,3, lo que lo hace más ligero que el diamante. Actividad química : es ligeramente más reactivo que el diamante. Esto se debe a que los reactivos pueden penetrar entre las capas hexagonales de átomos de carbono. No se ve afectado por solventes ordinarios, ácidos diluidos o álcalis fundidos. Sin embargo, el ácido crómico oxida el grafito a dióxido de carbono (CO 2 ).

Diamante

El diamante es una de las muchas formas alotrópicas en las que puede presentarse el carbono; en particular, el diamante consiste en una red cristalina de átomos de carbono dispuestos según una estructura tetraédrica. Los diamantes se pueden formar a partir de grafito sometiéndolo a condiciones de alta presión y temperatura . [7] La estructura del diamante es metaestable en condiciones estándar [7] y se transforma en grafito al calentarse a 2000 K. [7]

Fullerenos

Los fullerenos tienen una estructura similar al grafito, pero en lugar de la configuración hexagonal, también contienen formaciones pentagonales o heptagonales de átomos de carbono, que pliegan las láminas en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos aún no se han analizado completamente. Su nombre estaba dedicado a Buckminster Fuller , el creador de la cúpula geodésica , cuya geometría recuerda a la de los fullerenos.

Compuestos de carbono

El carbono se combina fácilmente con todo tipo de elementos ( metales , no metales e hidrógeno ). [9]
Con mucho, el enlace de carbono más frecuente con otros elementos es del tipo covalente . En comparación con otros elementos químicos, el carbono tiene una baja tendencia a formar enlaces iónicos , [9] excepto cuando se hibridiza sp como un átomo terminal, por ejemplo en cianuros (p. ej., KCN ) y en acetiluros (p. ej., CaC 2 ). El ion C 4- está probablemente presente en algunos carburos salinos de metales muy reactivos (por ejemplo, Be 2 C, Mg 2 C, Al 4 C 3 ); estos se hidrolizan en agua desarrollando metano , mientras que con el litio se forma Li 4 C 3 , derivado formalmente del propadieno . [20] Los carburos de los metales menos reactivos, en particular los de transición, son del tipo cristalino covalente, no siempre estequiométricos , a veces son los llamados carburos intersticiales. [20] Como ion monopositivo, se encuentra solo en carbocationes (p. ej., R 3 C + , carbono sp ²), que son productos intermedios reactivos en química orgánica .

El átomo de carbono en compuestos con otros elementos o consigo mismo puede darse en uno de los tres tipos de hibridación conocidos : sp³ , sp² y sp . Con ellos, el carbono es capaz de unirse a sí mismo, respectivamente, 4, 3 y otros 2 átomos con ángulos de enlace de aproximadamente 109,5°, 120° y 180°. Dependiendo de la simetría de las funciones propias moleculares generales de los pares de átomos que participan en el enlace, habrá enlaces simples , dobles o triples .

Compuestos inorgánicos

El principal monóxido de carbono es el dióxido de carbono , CO 2 . Es un componente menor de la atmósfera terrestre, producido y utilizado por los seres vivos. En el agua forma trazas de ácido carbónico , H 2 CO 3 , pero como muchos compuestos con múltiples átomos de oxígeno unidos a un átomo de carbono, es inestable. Algunos minerales importantes son los carbonatos, particularmente la calcita y el disulfuro de carbono, CS 2 .

Otros óxidos son el monóxido de carbono , CO, y el subóxido de carbono menos común , C 3 O 2 . El monóxido de carbono se forma a partir de una combustión incompleta y es un gas inodoro e incoloro. Cada molécula contiene un doble enlace y está bastante polarizada, por lo que tiende a unirse permanentemente a las moléculas de hemoglobina, haciendo que este gas sea venenoso. El cianuro , CN- , tiene una estructura y un comportamiento similares a los de los haluros .

Con los metales duros, el carbono forma carburos , C- , o acetilatos, C.2−2; estos están asociados con el metano y el acetileno o la etina , ambos ácidos extremadamente débiles. Con una electronegatividad de 2,55, el carbono tiende a formar enlaces covalentes. Algunos carburos son sólidos cristalinos covalentes como el SiC , conocido como carborundo. El carburo de silicio tiene una estructura similar a la del diamante, en la que los átomos de C y Si son tetraédricos rodeados por otros cuatro tipos de átomos. Bajo el nombre de carborundo, se utiliza como herramienta de corte o como abrasivo.

Compuestos orgánicos

Por definición, los compuestos a base de carbono en los que el carbono tiene un número de oxidación inferior a +4 se denominan "orgánicos". Una peculiaridad del carbono es la capacidad de formar cadenas de átomos de varias longitudes, incluidas las cíclicas. Estas cadenas son la base de los hidrocarburos y de todos los compuestos orgánicos. En el caso de los hidrocarburos, a medida que aumenta el número de átomos que forman las cadenas, se pasa de los aceites volátiles, a los aceites pesados, a las ceras de parafina.

Disponibilidad

El carbono es un componente vital de todos los sistemas vivos conocidos y sin él la vida tal como la conocemos no existiría. Hay casi diez millones de compuestos de carbono conocidos y muchos miles de ellos son esenciales para los procesos de la vida e importantes para las reacciones de base orgánica.

El carbono es el decimotercer elemento más abundante en la Tierra. [7] También se encuentra en abundancia en el Sol , las estrellas , los cometas y las atmósferas de la mayoría de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos [2] ( lonsdaleita [7] ) que se formaron cuando el sistema solar aún era un disco protoplanetario . El carbono no se creó en el Big Bang debido a que se necesita una triple colisión de partículas alfa ( núcleos de helio ) para que se produzca. El universo inicialmente se expandió y se enfrió demasiado rápido para que eso sucediera. Sin embargo, se produce en el interior de las estrellas que transforman los núcleos de helio en carbono a través del proceso triple alfa .

En combinación con otros elementos, el carbono se encuentra en la atmósfera terrestre y se disuelve en todos los cuerpos de agua. Junto con pequeñas cantidades de calcio , magnesio y hierro , es uno de los principales componentes de carbonatos , rocas , calizas , mármoles , etc. Combinado con hidrógeno forma petróleo , carbón , gas natural y otros compuestos denominados colectivamente " hidrocarburos ". El grafito se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos , Rusia , México , Groenlandia e India . Los diamantes naturales se encuentran en minerales de kimberlita que se encuentran dentro de antiguas chimeneas volcánicas. La mayoría de los yacimientos de diamantes se encuentran en África, especialmente en Sudáfrica , Namibia , Botswana , la República del Congo y Sierra Leona . Otros yacimientos se encuentran en Canadá , el Ártico ruso y Australia (occidental y septentrional).

Ciclo del carbono

El ciclo del carbono es el ciclo biogeoquímico a través del cual se intercambia carbono entre la geosfera (dentro de la cual se consideran los sedimentos y los combustibles fósiles ), la hidrosfera ( mares y océanos ), la biosfera (incluidas las aguas dulces) y la atmósfera de la Tierra . Todas estas porciones de la Tierra se consideran a todos los efectos reservas de carbono ( sumideros de carbono ). De hecho, el ciclo suele entenderse como el intercambio dinámico entre estos cuatro distritos . La corteza terrestre contiene la mayor reserva de carbono de la Tierra.

Las plantas presentes en la biosfera utilizan el carbono atmosférico (en forma de dióxido de carbono, CO 2 ) a través de la fotosíntesis de la clorofila , que utiliza la energía solar , liberando oxígeno (O 2 ). [9] Las sustancias producidas por las plantas son utilizadas posteriormente por otros organismos vivos (incluidos animales y humanos), de los cuales el carbono se devuelve a la atmósfera en forma de CO 2 [9] o se acumula en depósitos geológicos en forma de combustibles fósiles ( carbón y petróleo ). [9]

Aplicaciones

El principal uso comercial del carbono es en forma de hidrocarburos , principalmente combustibles fósiles ( gas metano y petróleo ). [2] El petróleo se utiliza en las refinerías para producir combustibles mediante un proceso de destilación fraccionada , a partir de los cuales se obtienen gasolina , diésel y queroseno , entre otros . El petróleo también se utiliza como materia prima en la industria petroquímica para la producción de muchas sustancias sintéticas, incluidos plásticos , fibras , disolventes y pinturas . [2]

Otros usos del carbono son:

El isótopo 14C descubierto el 27 de febrero de 1940 se usa en la datación por radiocarbono y como marcador de radioisótopos.
El grafito se utiliza en lápices de dibujo, escobillas de motores eléctricos y como revestimiento refractario en hornos. [2]
Los diamantes se utilizan con fines ornamentales y también como puntas de piercing y en otras aplicaciones que aprovechan su dureza . [2]
El carbono se agrega en porcentajes bajos al hierro para producir acero . Siempre ligado al hierro, pero en porcentajes superiores al 2%, se obtiene hierro colado que presenta una excelente colabilidad y resistencia al desgaste.
En forma de carbón se utiliza para calefacción y como material adsorbente ( carbón activado ) [21] [22] [23] [24] en la industria química y como remedio homeopático .
Varias investigaciones científicas han destacado la posibilidad de utilizar el carbono como catalizador o soporte de un catalizador [25] [26] y como electrocatalizador . [27] [28]
También se utiliza como materia prima, o como fibra de refuerzo, combinada con Kevlar , en la producción de artículos deportivos [2] (incluidos palos de hockey sobre césped , raquetas de tenis , esquís , cañas de pescar ), en aviones [2] y en la tapicería (interior o exterior) de coches deportivos o de carreras, tanto por su resistencia como por su ligereza.
El carbono se utiliza en las barras de control de las centrales nucleares en forma de carburo de boro y como moderador para reducir la velocidad de los neutrones rápidos a energías del orden de una centésima parte de un electrón-voltio .

La fibra de carbono se utiliza para la fabricación de músculos artificiales, accionados por corriente eléctrica [29] .

Las propiedades químicas y estructurales de los fullerenos , en forma de nanotubos de carbono, tienen un uso potencial prometedor en el incipiente campo de la nanotecnología .

Plomo de grafito
hoja de diamante
Carbón activado utilizado como carminativo y laxante
Material plástico reforzado con fibra de carbono

Precauciones

El carbón no es muy tóxico , si en partículas de tamaño milimétrico, puede ser ingerido en forma de grafito o carbón (carbón activado farmacológico). Es resistente a la disolución química , incluso en el tracto digestivo ácido, y se usa para adsorber cualquier compuesto tóxico en particular.

La inhalación de polvo de carbón u hollín ( negro de carbón ) en grandes cantidades puede ser peligrosa, irritando los tejidos pulmonares y causando antracosis . Del mismo modo, el polvo de diamante, utilizado como abrasivo. Las micropartículas de carbono están presentes en los gases de escape de los motores de combustión interna y pueden acumularse en los pulmones. Los efectos adversos pueden surgir de la contaminación de las partículas de carbono altamente absorbentes con productos químicos orgánicos o metales pesados , en lugar del propio carbono.

Se están estudiando los posibles efectos nocivos, similares a los de otras fibras minerales ( neumoconiosis ), derivados de las fibras de carbono, posiblemente inhalados o ingeridos. Estudios similares se llevan a cabo sobre estructuras nanométricas como los fullerenos y los nanotubos de carbono .

El carbono también puede arder vigorosamente en presencia de aire a altas temperaturas, como en el incendio de la planta de energía nuclear de Windscale en Sellafield ( incendio de Windscale ), que fue causado por una liberación repentina de energía ( efecto Wigner , del descubridor Eugene Wigner que consiste en un desplazamiento atómico en la red cristalina por neutrones rápidos y posterior retorno con liberación de la energía relativa acumulada) en el grafito utilizado como moderador y luego sometido a bombardeo neutrónico.
Grandes acumulaciones de carbón, que han permanecido inertes durante cientos de millones de años en ausencia de oxígeno, pueden arder espontáneamente cuando se exponen al aire.

Compuestos

Los compuestos de carbono cubren una amplia gama de acciones tóxicas y, al ser la base de los compuestos biológicos, beneficiosas. El monóxido de carbono , CO, presente en los gases de escape de los motores de combustión, y el cianuro , CN , que en ocasiones contamina las minas, son extremadamente tóxicos para los vertebrados . Muchos otros compuestos no son absolutamente tóxicos, pero sí son esenciales para la vida. Los gases orgánicos como el etileno (CH 2 = CH 2 ), el acetileno (HC≡CH), el metano (CH 4 ) y muchas otras moléculas son inflamables y explosivos cuando se mezclan con el aire en determinadas proporciones.

Citas literarias

Uno de los relatos de " El sistema periódico " de Primo Levi está dedicado al carbono .

Notas

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