Química

Química. Elementos químicos. Carbono. Átomo de carbono. Configuración electrónica. Carbono 12. Carbono 13. Carbono 14. Estados alotrópicos. Grafito. Diamante. Fulereno. Nanotubos. Nanotubos de carbono. Nanoespuma. Compuestos de carbono

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Carbono

El carbono es un elemento químico cuyo símbolo es C, es un no metal que se encuentra en el grupo 14 y período 2 de la tabla periódica. Es sólido a temperatura ambiente.; su punto de ebullición es 4200 ºC y el de fusión 3500 ºC.

El carbono y sus compuestos se encuentran distribuidos ampliamente en la naturaleza. Se estima que el carbono constituye 0.032% de la corteza terrestre y c está presente en la atmósfera en un 0.03% por volumen como dióxido de carbono.

El átomo de Carbono

Configuración eléctronica

El carbono tiene un número atómico 6 y número de masa 12; en su núcleo tiene 6 protones y 6 neutrones y está rodeado por 6 electrones, distribuidos de la siguiente manera: 1s2 2s2 2p2

La existencia de cuatro electrones en la última capa sugiere la posibilidad bien de ganar otros cuatro convirtiéndose en el ion C4- cuya configuración electrónica coincide con la del gas noble Ne. El átomo de carbono opta por compartir sus cuatro electrones externos con otros átomos mediante enlaces covalentes. Esa cuádruple posibilidad de enlace que presenta el átomo de carbono se denomina tetravalencia.

La fórmula de Lewis del carbono es:

'Química'

Isótopos radiactivos y estables del carbono

'Química'

Carbono 14 Inestable radioactivo

 'Química'

Carbono 13 Inestable estable

 'Química'

Carbono 12 Inestable estable

Carbono-12 y Carbono-13

Los isótopos naturales y estables del carbono son el C-12 (98,89%) y el C-13 (1,11%). Las proporciones de estos isótopos en un ser vivo se expresan en variación (±‰) respecto de la referencia VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite, fósiles cretácicos de belemnites, en Carolina del Sur). El C-13 del CO2 de la atmósfera terrestre es -7‰. El carbono fijado por fotosíntesis en los tejidos de las plantas es significativamente más pobre en C-13 que el CO2 de la atmósfera.

La mayoría de las plantas presentan valores de C-13 entre -24 y -34‰. Otras plantas acuáticas, de desierto, de marismas saladas y hierbas tropicales, presentan valores de C-13 entre -6 y -19‰ debido a diferencias en la reacción de fotosíntesis. Un tercer grupo intermedio constituido por las algas y líquenes presentan valores entre -12 y -23‰. El estudio comparativo de los valores de C-13 en plantas y organismos puede proporcionar información valiosa relativa a la cadena alimenticia de los seres vivos.

Carbono-14

El carbono-14 (14C, masa atómica=14.003241) es un radioisótopo del carbono descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Tiene una vida media de 5730 años.Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

El isótopo carbono-14 (14C) es producido de forma continua en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por neutrones cósmicos.

7N14 + 0n1 6C14 + 1p1

Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14 (14N).

6C14 7N14 + - 10

Estos procesos de generación-degradación de 14C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas de manera que la proporción 14C/12C en éstas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de 14C a los tejidos y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en 14N por decaimiento radiactivo.

La masa en isótopo 14C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido: a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico se calcula la cantidad de 14C que aún queda en el material.Así puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce por edad radiocarbónica o de 14C, y se expresa en años BP (Before Present). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo XX, los ensayos nucleares provocaron severas anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera .

Estados alotrópicos

Se conocen cuatro formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fulerenos ,nanotubos y nanoespuma.

Carbono amorfo

No tiene una forma cristalina y se encuentra como hollin, negro de humo, carbones. El carbono es insoluble en los solventes comunes. No reacciona con los reactivos quimicos ordinariosy absorbe gases con facilidad.

Grafito

Grafito Estructura atómica del grafito

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante y los fullerenos. A presión atmosférica y temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica. Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el año 1789 y el término grafito deriva del griego  (graphein) que significa escribir.
El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero también se produce artificialmente.

En el grafito los átomos forman capas planas dentro de las cuáles el ordenamiento es hexagonal. La hibridación correspondiente es sp2.Las capas estan unidas por débiles fuerzas de Van der Waals.

Propiedades

Es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y disminuye al aumentar la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. Es polimorfo.

Aplicaciones El grafito es un material refractario y se emplea en ladrillos, crisoles, etc.

  • Al deslizarse en el grafito las capas fácilmente, resulta ser un buen lubricante sólido.

  • Se emplea en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc.

  • Este material es conductor de la electricidad y se emplea para la fabricación de electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas.

  • Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores.

  • El grafito mezclado con una pasta sirve para la fabricación de lápices.

  • Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras.

Diamante

Estructura del diamante

El diamante es uno de los alotropos del carbono (el principal es el grafito).

El diamante es, en la actualidad, la joya más preciada del mundo. La explotación de mantos diamantíferos constituye un firme renglón para la minería y, finalmente, la venta de estas gemas constituye una fuente muy importante de ingresos.

La dureza del diamante es tal que sobre él se basa la escala de dureza de Mohs, asignándole diez como máximo posible. Su dureza se debe a sus enlaces carbono-carbono muy estables en química, y a su disposición en la estructura: forma una pirámide perfecta, donde si nos fijamos bien y ponemos cualquiera de sus lados como base, podemos contar los átomos de carbono por capas, teniendo la primera uno, la segunda cuatro, la tercera nueve y la cuarta dieciséis, lo que hace una sucesión de cuadrados 1², 2², 3² y 4². Tiene hibridación Sp3

.

Usos

Hay dos tipos de diamante comúnmente usados en la industria: el carbonado y el ballas. El primero presenta un marcado principio de cristalización con un gran número de puntitos blancos luminosos. El ballas es de forma semiesférica y superficie granulienta. Por su extrema dureza es imposible lapidarlos.

Con estos diamantes se fabrican troqueles y muelas para pulir herramientas. También se emplean para perforar pozos petroleros y para cortar todo tipo de piedras.

El campo actual de investigación de utilidad industrial del diamante es el de los semiconductores de alto rendimiento, debido a que tienen características de conductividad tanto de calor como de electrones muy superiores a las del silicio (elemento más común actualmente para estas aplicaciones).

Durante mucho tiempo se soñó con lograr producir diamantes artificialmente. Fue hasta 1954 que la compañía General Electric produjo (aunque pequeños) auténticos diamantes al someter una sustancia carbonosa (rica en grafito) a una temperatura de 2.899 º C y presión de más de 100.000 atmósferas (semejante a la que se supone que existía en las profundidades de la corteza terrestre cuando se formaron los mantos diamantíferos.)

A partir de entonces, el diamante artificial se fabrica en gran escala. Su mayor aplicación es de tipo industrial, aunque también se fabrican diamantes para joyas. Su precio es más reducido que el de uno auténtico.

Fulereno

Fulereno (C60) Fureleno (C540)

Los fulerenos o fullerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito. Fueron descubiertos recientemente, y se han hecho muy populares entre los químicos, tanto por su belleza estructural como por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fulerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos

El fulereno más conocido es el buckminsterfulereno. Se trata del fulereno más pequeño de C60 en el que ninguno de los pentágonos que lo componen comparten un borde ; si los pentángonos tienen una arista en común, la estructura estará desestabilizada (véase pentaleno). La estructura de C60 es la de una figura geométrica truncada y se asemeja a un balón de fútbol (domo geodésico), constituido por 20 hexágonos y 12 pentágonos, con un átomo de carbón en cada una de las esquinas de los hexágonos y un enlace a lo largo de cada arista. El nombre de Buckminsterfullereno viene de Richard Buckminster Fuller con motivo a una similitud de la molécula con una de las construcciones del mencionado arquitecto.

Otros fulerenos

El fulereno C20 no tiene hexágonos, sólo 12 pentágonos, mientras que el C70, tiene 12 pentágonos al igual que el buckminsterfulereno, pero tiene más hexágonos, y su forma en este caso se asemeja un balón de rugby.

Propiedades

Los fulerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito, y es también muy poco soluble en la mayoría de solventes. Entre los solventes comunes para los fulerenos se incluyen el tolueno y el disulfuro de carbono. Las disoluciones de buckminsterfulereno puro tienen un color púrpura intenso. El fulereno es la única forma alotrópica del carbono que puede ser disuelta. Los investigadores han podido aumentar su reactividad uniendo grupos activos a las superficies de los fulerenos. El buckminsterfulereno no presenta "superaromaticidad", es decir, los electrones de los anillos hexagonales no pueden deslocalizar en la molécula entera.

Nanotubos

Los nanotubos de carbono son una forma elemental de carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos descubierto en 1991. Se pueden ver como láminas de grafito enrolladas sobre sí mismas. Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no están cerrados. También se conocen nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos concéntricos).

Están siendo estudiados activamente, como los fulerenos, por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Usos

Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:

  • Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible

  • Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático

  • Aeroespacio: partes de aviones

  • Packaging: Antiestático para electrónicos

  • Tintas conductoras

Nanoespuma

'Química'

Estructura propuesta para la nanoespuma de carbono

Es una forma alotrópica que en 1997 fue descubierta por cientificos de Australia, Grecia y Rusia por accidente mientras intentaban sintetizar nanotubos y fulerenos. Esta compuesta por una red de nanotubos de carbono de forma esponjosa. A escala macroscópica su aspecto es como el del negro de carbón y es muy ligero. Posee una pequeñísima densidad, de aproximadamente 2 mg/cm3 y una superficie específica de 300-400 m2/g. La nanoespuma de carbono es semiconductora, por lo que puede tener aplicaciones en el campo de la electrónica. Pero su propiedad más destacable, y que hace de este material único entre los materiales de carbón, es que posee propiedades magnéticas, actuando como un imán. A temperatura ambiente esta propiedad desaparece al cabo de unas pocas horas después de que la nanoespuma de carbono ha sido sintetizada, aunque sí se conserva a temperaturas inferiores a  -183 ºC. En cualquier caso, a temperatura ambiente las nanoespumas poseen propiedades ferromagnéticas, es decir, son atraídas por los imanes. Una posible aplicación de esta forma de carbón sería en biomedicina como pequeñas unidades ferromagnéticas que podrían inyectarse en la sangre y ser dirigidas mediante campos magnéticos a una determinada zona.

Compuestos del carbono

Ácido carbónico

El ácido carbónico es un ácido anhídrido del dióxido de carbono. El ácido carbónico puede atacar a muchos de los minerales que comúnmente forman las rocas, descomponiéndolos. Su composición es H2CO3. También es llamado Trioxocarbonato IV de hidrógeno o Ácido trioxocarbónico IV.

Es el producto de la reacción de agua y dióxido de carbono y existe en equilibrio con este último por ejemplo en el agua gasificada o la sangre. No es posible obtener ácido carbónico puro ya que la presencia de una sola molécula de agua catalizaria su descomposición inmediata en dióxido de carbono y agua. Sin embargo, se calcula que en ausencia absoluta de agua sería estable.

En solución, el ácido carbónico puede perder uno o dos protones. Retirando el primer protón forma el ion bicarbonato; retirando el segundo protón forma el ion carbonato.

  • H2CO3 ! HCO3- + H+ (pKd = 6.35)

  • HCO3- ! CO32- + H+ (pKd = 10.33)

Cuando el ácido carbónico se combina con átomos, radicales positivos o una base, pueden formarse sales como carbonatos o bicarbonatos. Por ejemplo, combinado con cal (óxido de calcio) constituye mármol y tiza (carbonato de calcio).

El ácido carbónico está presente en las limonadas. En una forma más diluida desempeña un papel principal en la formación de cuevas. Este ácido opera como bufer en la solución lograda para sanitizar el agua cuando es el único medio operante, el ácido carbónico más fuerte, es el sulfato ácido de arcadio.

El H2CO3 está presente en las bebidas gasesosas. como cocacola, fanta..

Su estructura de Lewis es la siguiente:

'Química'

Como se puede notar se cumple la regla del octeto.

Carbonatos

Los carbonatos son las sales del ácido carbónico. La mayoría de los carbonatos a parte de los carbonatos de los metales alcalinos son poco solubles en agua. Debido a esta característica son importantes en geoquímica y forman parte de muchos minerales y rocas.

El carbonato más abundante es el carbonato de calcio (CaCO3) que se halla en diferentes formas como calcita, aragonita (una modificación formada a altas temperaturas), en la forma maciza como caliza, como mineral metamórfico en forma de mármol y es a menudo el cemento natural de las piedras areniscas.

Sustituyendo una parte del calcio por magnesio se obtiene la dolomita CaMg(CO3)2 que recibe su nombre por una formación rocosa en los alpes donde abunda.

Muchos carbonatos son inestables a altas temperaturas y pierden dióxido de carbono mientras se transforman en óxidos.

Aplicaciones

Los carbonatos se aplican en multitud de campos. A menudo su utilización va ligada al compuesto concreto como la obtención de cal viva (CaO) del carbonato cálcico.

Uno de los carbonatos más importantes industrialmente es el carbonato sódico. En la naturaleza se encuentra en algunas lagunas salinas, por ejemplo, en Egipto, aunque la gran mayoría se obtiene a partir de la cal en el proceso de Solvay. Es un intermedio en la obtención de productos tan dispares como el jabón, el percarbonato sódico utilizado como blanqueante, el vidrio, la sosa (NaOH) etc.

Las cenizas de madera también se componen en gran medida de carbonatos. Estos han dado incluso el nombre a un elemento, el potasio (K) del inglés "pot ash = ceniza debajo de la caldera" ya que se obtenía habitualmente de esta fuente.El carbonato cálcico forma parte de la formulación de las pastas dentales.