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6 C
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A la derecha, fragmento de carbono vitrificado de 570 g. A la izquierda, pequeno cubo de grafito (1 cm 3 ).
Informacion general
Nombre , simbolo , numero	Carbono, C, 6.
Serie quimica	No metales
Grupo , periodo , bloque	14 , 2 , p
Masa atomica	12,0107  u
Configuracion electronica	[ He ] 2 s 2 2 p 2
Dureza Mohs	1-2 (grafito) 10 (diamante)
Electrones por nivel	2, 4
Apariencia	Negro (grafito) Incoloro (diamante)
Propiedades atomicas
Radio medio	70  pm
Electronegatividad	2,55 ( escala de Pauling )
Radio atomico (calc)	67  pm ( radio de Bohr )
Radio covalente	77  pm
Radio de van der Waals	170  pm
Estado(s) de oxidacion	4 , 2
Oxido	Acido debil
1.ª energia de ionizacion	1086,5  kJ/mol
2.ª energia de ionizacion	2352,6 kJ/mol
3.ª energia de ionizacion	4620,5 kJ/mol
4.ª energia de ionizacion	6222,7 kJ/mol
5.ª energia de ionizacion	37 831,1 kJ/mol
6.ª energia de ionizacion	47 277,1 kJ/mol
Lineas espectrales
Propiedades fisicas
Estado ordinario	Solido ( no magnetico )
Densidad	2267  kg/m 3
Punto de fusion	Diamante : 3 823 343 K (3 823 070 °C) Grafito : 3800 K (3527 °C)
Punto de ebullicion	Grafito: 5100 Diamante: 8,750,900
Entalpia de vaporizacion	Grafito; sublima: 711  kJ/mol
Entalpia de fusion	Grafito; sublima : 105  kJ/mol
Varios
Estructura cristalina	hexagonal
Calor especifico	710  J /( K · kg )
Conductividad electrica	61×10 3   S / m
Conductividad termica	129  W/(K·m)
Velocidad del sonido	Diamante: 18.350  m/s a 293,15  K (20  °C )
Isotopos mas estables
Articulo principal: Isotopos del carbono
iso AN Periodo MD Ed PD MeV 12 C 98,9 % Estable con 6 neutrones 13 C 1,1 % Estable con 7 neutrones 14 C trazas 5730 anos β ? 0,156 14 N
Valores en el SI y condiciones normales de presion y temperatura , salvo que se indique lo contrario.
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El carbono (del latin , carbo , 'carbon') es un elemento quimico con simbolo C , numero atomico 6 y masa atomica 12,01 . Es un no metal y tetravalente , disponiendo de 4 electrones y 6 protones para formar enlaces quimicos covalentes . Tres isotopos del carbono se producen de forma natural, los estables ¹² C y ¹³ C y el isotopo radiactivo ¹⁴ C , que decae con una vida media de unos 5730 anos. ^{[ 1 ]} ​ El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antiguedad , ^{[ 2 ]} ​ y es el pilar basico de la quimica organica . Esta presente en la Tierra en estado de cuerpo simple ( carbon y diamantes ), de compuestos inorganicos (CO ₂ y CaCO ₃ ) y de compuestos organicos ( biomasa , petroleo y gas natural ). Tambien se han sintetizado muchas nuevas estructuras basadas en el carbono: carbon activado , negro de humo , fibras , nanotubos , fullerenos y grafeno .

El carbono es el 15.º elemento mas abundante en la corteza terrestre, ^{[ 3 ]} ​ y el cuarto elemento mas abundante en el universo en masa despues del hidrogeno , el helio y el oxigeno . La abundancia del carbono, su diversidad unica de compuestos organicos y su inusual capacidad para formar polimeros a las temperaturas comunmente encontradas en la Tierra , permite que este elemento sirva como componente comun de toda la vida conocida . Es el segundo elemento mas abundante en el cuerpo humano en masa (aproximadamente el 18,5%) despues del oxigeno. ^{[ 4 ]} ​

Los atomos de carbono pueden unirse de diferentes maneras, denominadas alotropos del carbono , reflejo de las condiciones de formacion. Los mas conocidos que ocurren naturalmente son el grafito , el diamante y el carbono amorfo . ^{[ 5 ]} ​ Las propiedades fisicas del carbono varian ampliamente con la forma alotropica. Por ejemplo, el grafito es opaco y negro, mientras que el diamante es altamente transparente . El grafito es lo suficientemente blando como para formar una raya en el papel (de ahi su nombre, del verbo griego "γρ?φειν" que significa 'escribir'), mientras que el diamante es el material natural mas duro conocido. El grafito es un buen conductor electrico mientras que el diamante tiene una baja conductividad electrica . En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen las conductividades termicas mas altas de todos los materiales conocidos. Todos los alotropos del carbono son solidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma termodinamicamente estable . Son quimicamente resistentes y requieren altas temperaturas para reaccionar incluso con oxigeno.

El estado de oxidacion mas comun del carbono en los compuestos inorganicos es +4, mientras que +2 se encuentra en el monoxido de carbono y en complejos carbonilos de metales de transicion . Las mayores fuentes de carbono inorganico son las calizas , dolomitas y dioxido de carbono , pero cantidades significativas se producen en depositos organicos de carbon , turba , petroleo y clatratos de metano . El carbono forma un gran numero de compuestos, mas que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha ^{[ 6 ]} ​ (con 500.000 compuestos nuevos por ano), siendo sin embargo ese numero solo una fraccion del numero de compuestos teoricamente posibles bajo condiciones estandar. Por esta razon, a menudo el carbono se ha descrito como el ≪rey de los elementos≫. ^{[ 7 ]} ​

La combustion del carbono en todas sus formas ha sido la base del desarrollo tecnologico desde tiempos prehistoricos. Los materiales basados en el carbono tienen aplicaciones en numerosas areas de vanguardia tecnologica: materiales compuestos , baterias de iones de litio , descontaminacion del aire y del agua , electrodos para hornos de arco , en la sintesis de aluminio , etc.

Caracteristicas [ editar ]

El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus formas alotropicas incluyen, una de las sustancias mas blandas (el grafito) y una de las mas duras (el diamante) y, desde el punto de vista economico, es de los materiales mas baratos (carbon) y uno de los mas caros (diamante). Mas aun, presenta una gran afinidad para enlazarse quimicamente con otros atomos pequenos, incluyendo otros atomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y su pequeno radio atomico le permite formar enlaces multiples. Asi, con el oxigeno forma el dioxido de carbono , vital para el crecimiento de las plantas (ver ciclo del carbono ); con el hidrogeno forma numerosos compuestos denominados genericamente hidrocarburos , esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles fosiles ; y combinado con oxigeno e hidrogeno forma gran variedad de compuestos como, por ejemplo, los acidos grasos , esenciales para la vida, y los esteres que dan sabor a las frutas; ademas es vector, a traves del ciclo carbono-nitrogeno , de parte de la energia producida por el Sol . ^{[ 8 ]} ​

Estados alotropicos [ editar ]

Se conocen cinco formas alotropicas del carbono, ademas del amorfo: grafito , diamante , fullereno , grafeno y carbino . ^{[ 9 ]} ​

Una de las formas en las cuales se encuentra el carbono es el grafito, caracterizado por tener sus atomos "en los vertices de hexagonos que tapizan un plano", ^{[ 10 ]} ​ es de color negro, opaco y blando, y es el material del cual esta hecha la parte interior de los lapices de madera. El grafito tiene exactamente los mismos atomos del diamante, pero por estar dispuestos en diferente forma tienen distintas propiedades fisicas y quimicas. Los diamantes naturales se forman en lugares donde el carbono ha sido sometido a grandes presiones y altas temperaturas. Su estructura es tetraedrica, que da como resultado una red tridimensional y a diferencia del grafito tiene un grado de dureza alto: 10 Mohs. Los diamantes se pueden crear artificialmente, sometiendo el grafito a temperaturas y presiones muy altas. El precio del grafito es menor al de los diamantes naturales, pero si se han elaborado adecuadamente tienen la misma dureza, color y transparencia.

La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscopica. Esta es la forma presente en la mayoria de los carbones y en el hollin.

A presion normal, el carbono adopta la forma del grafito , en la que cada atomo esta unido a otros tres en un plano compuesto de celdas hexagonales; este estado se puede describir como tres electrones de valencia en orbitales hibridos planos sp² y el cuarto en el orbital p .

Las dos formas de grafito conocidas alfa (hexagonal) y beta (romboedrica) tienen propiedades fisicas identicas. Los grafitos naturales contienen mas del 30 % de la forma beta, mientras que el grafito sintetico contiene unicamente la forma alfa. La forma alfa puede transformarse en beta mediante procedimientos mecanicos, y esta recristalizar en forma alfa al calentarse por encima de 1000 °C .

Debido a la deslocalizacion de los electrones del orbital pi , el grafito es conductor de la electricidad, propiedad que permite su uso en procesos de electroerosion . El material es blando y las diferentes capas, a menudo separadas por atomos intercalados, se encuentran unidas por enlaces de Van de Waals , siendo relativamente facil que unas deslicen respecto de otras, lo que le da utilidad como lubricante .

A muy altas presiones, el carbono adopta la forma del diamante , en el cual cada atomo esta unido a otros cuatro atomos de carbono, encontrandose los 4 electrones en orbitales sp³, como en los hidrocarburos. El diamante presenta la misma estructura cubica que el silicio y el germanio y, gracias a la resistencia del enlace quimico carbono-carbono, es, junto con el nitruro de boro , la sustancia mas dura conocida. La transicion a grafito a temperatura ambiente es tan lenta que es indetectable. Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleita , una forma similar al diamante pero hexagonal.

El orbital hibrido sp ¹ que forma enlaces covalentes solo es de interes en quimica , manifestandose en algunos compuestos, como por ejemplo el acetileno .

Los fullerenos fueron descubiertos hace 15 anos ^{[ 10 ]} ​ tienen una estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentagonos (y en ciertos casos, heptagonos), lo que curva los planos y permite la aparicion de estructuras de forma esferica , elipsoidal o cilindrica . El constituido por 60 atomos de carbono, que presenta una estructura tridimensional y geometria similar a un balon de futbol, es especialmente estable. Los fullerenos en general, y los derivados del C ₆₀ en particular, son objeto de intensa investigacion en quimica desde su descubrimiento a mediados de los 1980.

A esta familia pertenecen tambien los nanotubos de carbono , que pueden describirse como capas de grafito enrolladas en forma cilindrica y rematadas en sus extremos por hemiesferas (fulerenos), y que constituyen uno de los primeros productos industriales de la nanotecnologia .

Aplicaciones [ editar ]

El principal uso industrial del carbono es como un componente de hidrocarburos, especialmente los combustibles fosiles ( petroleo y gas natural ). Del primero se obtienen, por destilacion en las refinerias , gasolinas , queroseno y aceites , siendo ademas la materia prima empleada en la obtencion de plasticos . El segundo se esta imponiendo como fuente de energia por su combustion mas limpia. Otros usos son:

• El isotopo radiactivo carbono-14 , descubierto el 27 de febrero de 1940, se usa en la datacion radiometrica .
• El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lapices . Ademas se utiliza como aditivo en lubricantes. Las pinturas anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehiculos y aviones militares estan basadas igualmente en el grafito, intercalando otros compuestos quimicos entre sus capas. Es negro y blando. Sus atomos estan distribuidos en capas paralelas muy separadas entre si. Se forma a menos presion que el diamante. Aunque parezca dificil de creer, un diamante y la mina de un lapicero tienen la misma composicion quimica: carbono.
• El diamante es transparente y muy duro. En su formacion, cada atomo de carbono esta unido de forma compacta a otros cuatro atomos. Se originan con temperaturas y presiones altas en el interior de la tierra. Se emplea para la construccion de joyas y como material de corte aprovechando su dureza.
• Como elemento de aleacion principal de los aceros .
• En varillas de proteccion de reactores nucleares .
• Las pastillas de carbon se emplean en medicina para absorber las toxinas del sistema digestivo y como remedio de la flatulencia .
• El carbon activado se emplea en sistemas de filtrado y purificacion de agua.
• El carbon amorfo (" hollin ") se anade a la goma para mejorar sus propiedades mecanicas. Ademas se emplea en la formacion de electrodos (p. ej. de las baterias ). Obtenido por sublimacion del grafito, es fuente de los fullerenos que pueden ser extraidos con disolventes organicos.
• Los fullerenos se emplean en medicina, se ha probado que un derivado soluble en agua del C ₆₀ inhibe a los virus de inmunodeficiencia humana VIH-1 y VIH-2. ^{[ 10 ]} ​
• La fibra de carbono (obtenido generalmente por termolisis de fibras de poliacrilato) debido a que son de alta resistencia se anade a resinas de poliester, obteniendose los materiales denominados fibras de carbono , son empleadas para fabricar raquetas de tenis.
• La fibra de carbono tambien se utiliza para la elaboracion de bicicletas de gama alta, logrando un menor peso, mayor resistencia y mejor geometria.
• Las propiedades quimicas y estructurales de los fullerenos , en la forma de nanotubos , prometen usos futuros en el incipiente campo de la nanotecnologia.

Historia [ editar ]

El carbono fue descubierto en la prehistoria y ya era conocido en la antiguedad, a pesar de que en esta la manufacturaban mediante la combustion incompleta de materiales organicos. Los ultimos alotropos conocidos, los fullerenos (C ₆₀ ), fueron descubiertos como subproducto en experimentos realizados con gases moleculares en la decada de los 80. Se asemejan a un balon de futbol, por lo que coloquialmente se les llama futbolenos.

Newton , en 1704, intuyo que el diamante podia ser combustible, pero no se consiguio quemar un diamante hasta 1772 en que Lavoisier demostro que en la reaccion de combustion se producia CO ₂ .

Tennant demostro que el diamante era carbono puro en 1797. El isotopo mas comun del carbono es el ¹² C; en 1961 este isotopo se eligio para reemplazar al isotopo oxigeno-16 como base de los pesos atomicos, y se le asigno un peso atomico de 12.

Los primeros compuestos de carbono se identificaron en la materia viva a principios del siglo  XIX , y por ello el estudio de los compuestos de carbono se llamo quimica organica.

Abundancia y obtencion [ editar ]

El carbono no se creo durante el Big Bang porque hubiera necesitado la triple colision de particulas alfa ( nucleos atomicos de helio ) y el Universo se expandio y enfrio demasiado rapido para que la probabilidad de que ello aconteciera fuera significativa. Donde si ocurre este proceso es en el interior de las estrellas (en la fase RH (Rama horizontal) ) donde este elemento es abundante, encontrandose ademas en otros cuerpos celestes como los cometas y en las atmosferas de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscopicos que se formaron cuando el Sistema Solar era aun un disco protoplanetario .

En combinaciones con otros elementos, el carbono se encuentra en la atmosfera terrestre y disuelto en el agua, y acompanado de menores cantidades de calcio , magnesio y hierro forma enormes masas rocosas ( caliza , dolomita , marmol , etc).

El grafito se encuentra en grandes cantidades en Rusia , Estados Unidos , Mexico , Groenlandia y la India .

Los diamantes naturales se encuentran asociados a rocas volcanicas ( kimberlita y lamproita ). Los mayores depositos de diamantes se encuentran en el Africa ( Sudafrica , Namibia , Botsuana , Republica del Congo y Sierra Leona ). ^{[ 11 ]} ​ Existen ademas depositos importantes en Canada , Rusia , Brasil y Australia . ^{[ cita requerida ]}

Compuestos inorganicos [ editar ]

El mas importante oxido de carbono es el dioxido de carbono (CO ₂ ), un componente minoritario de la atmosfera terrestre (del orden del 0,04 % en peso) producido y usado por los seres vivos (ver ciclo del carbono ). En el agua forma trazas de acido carbonico (H ₂ CO ₃ ) ?las burbujas de muchos refrescos? pero, al igual que otros compuestos similares, es inestable, aunque a traves de el pueden producirse iones carbonato estables por resonancia . Algunos minerales importantes, como la calcita , son carbonatos.

Los otros oxidos son el monoxido de carbono (CO) y el mas raro suboxido de carbono (C ₃ O ₂ ). El monoxido se forma durante la combustion incompleta de materias organicas y es incoloro e inodoro. Dado que la molecula de CO contiene un enlace triple, es muy polar, por lo que manifiesta una acusada tendencia a unirse a la hemoglobina , formando un nuevo compuesto muy peligroso denominado Carboxihemoglobina, impidiendoselo al oxigeno, por lo que se dice que es un asfixiante de sustitucion. El ion cianuro (CN ^? ), tiene una estructura similar y se comporta como los iones haluro .

Con metales , el carbono forma tanto carburos como acetiluros , ambos muy acidos . A pesar de tener una electronegatividad alta, el carbono puede formar carburos covalentes como es el caso de carburo de silicio (SiC) cuyas propiedades se asemejan a las del diamante .

Isotopos [ editar ]

En 1961 la IUPAC adopto el isotopo ¹² C como la base para la masa atomica de los elementos quimicos.

El carbono-14 es un radioisotopo con un periodo de semidesintegracion de 5730 anos que se emplea de forma extensiva en la datacion de especimenes organicos.

Los isotopos naturales y estables del carbono son el ¹² C (98,89 %) y el ¹³ C (1,11 %). Las proporciones de estos isotopos en un ser vivo se expresan en variacion (±‰) respecto de la referencia VPDB ( Vienna Pee Dee Belemnite , fosiles cretacicos de belemnites , en Carolina del Sur ). El δC-13 del CO ₂ de la atmosfera terrestre es ?7‰. El carbono fijado por fotosintesis en los tejidos de las plantas es significativamente mas pobre en ¹³ C que el CO ₂ de la atmosfera.

La mayoria de las plantas presentan valores de δC-13 entre ?24 y ?34‰. Otras plantas acuaticas, de desierto, de marismas saladas y hierbas tropicales, presentan valores de δC-13 entre ?6 y ?19‰ debido a diferencias en la reaccion de fotosintesis. Un tercer grupo intermedio constituido por las algas y liquenes presentan valores entre ?12 y ?23‰. El estudio comparativo de los valores de δC-13 en plantas y organismos puede proporcionar informacion valiosa relativa a la cadena alimenticia de los seres vivos.

Precauciones [ editar ]

Los compuestos de carbono tienen un amplio rango de toxicidad . El monoxido de carbono , presente en los gases de escape de los motores de combustion y el cianuro (CN) son extremadamente toxicos para los mamiferos, entre ellos las personas. Los gases organicos eteno , etino y metano son explosivos e inflamables en presencia de aire. Por el contrario, muchos otros compuestos no son toxicos sino esenciales para la vida.

El carbono puro tiene una toxicidad extremadamente baja para los humanos y puede ser manejado e incluso ingerido en forma segura en la forma de grafito o carboncillo . Es resistente a la disolucion y ataque quimico, incluso en los contenidos acidificados del tracto digestivo . Esto resulta en que una vez que entra a los tejidos corporales lo mas probable es que permanezcan alli en forma indefinida. El negro de carbon fue probablemente el primer pigmento en ser usado para hacer tatuajes y se encontro que Otzi el hombre del hielo tenia tatuajes hechos con carbon que sobrevivieron durante su vida y 5200 anos despues de su muerte. ^{[ 12 ]} ​ Sin embargo, la inhalacion en grandes cantidades del polvo de carbon u hollin (negro de carbon) puede ser peligroso, al irritar los tejidos del pulmon y causar una enfermedad conocida como neumoconiosis de los mineros del carbon . De forma similar el polvo de diamante usado como un abrasivo puede ser danino si se ingiere o inhala. Tambien las microparticulas de carbon producidas por los gases de escape de los motores diesel se pueden acumular en los pulmones al ser inhaladas. ^{[ 13 ]} ​ En estos ejemplos, los efectos daninos pueden resultar de la contaminacion de las particulas de carbon con elementos quimicos organicos o de metales pesados mas que del carbon en si mismo.

Generalmente el carbono tiene baja toxicidad para casi toda la vida en la Tierra , sin embargo, para algunas criaturas es toxico - por ejemplo, las nanoparticulas de carbon son toxinas mortales para la Drosophila . ^{[ 14 ]} ​

Tambien el carbono se puede quemar vigorosa y brillantemente en la presencia de aire a alta temperatura, como en el caso del Incendio de Windscale , el que fue causado por la repentina liberacion de energia Wigner acumulada en el nucleo de grafito. Grandes acumulaciones de carbon, que han permanecido inertes por centenares de millones de anos en la ausencia de oxigeno , pueden incendiarse espontaneamente cuando son expuestas al aire, como por ejemplo en los desechos de las minas de carbon .

Entre la gran variedad de compuestos de carbono se pueden incluir venenos letales tales como la tetradotoxina , la ricina lectina obtenida de las semillas de ricino ( Ricinus communis ), el cianuro (CN ^? ) y el envenenamiento por monoxido de carbono .

Vease tambien [ editar ]

• Carbono 14
• Compuesto organico
• Cambio climatico
• Huella de carbono
• Economia baja en carbono
• Objetivos de Desarrollo Sostenible
• Central termoelectrica

Referencias [ editar ]

Enlaces externos [ editar ]

• Wikimedia Commons alberga una galeria multimedia sobre Carbono .
• Wikiquote alberga frases celebres de o sobre Carbono .
• Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre carbono .
• WebElements.com - Carbono
• EnvironmentalChemistry.com - Carbono
• It's Elemental - Carbono
• Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo de Espana Ficha internacional de seguridad quimica del carbono.
• La Quimica de Referencia - Carbono