Descripción
| Nombre |
Carbono
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| Número atómico |
6
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| Valencia |
2,+4,-4
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| Configuración electrónica |
1s22s22p2
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| Masa atómica (g/mol) |
12,01115
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| Densidad (g/ml) |
2,26
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| Punto de ebullición (ºC) |
4830
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| Punto de fusión (ºC) |
3727
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| Descubridor |
Los antiguos
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Carbono, de símbolo C,
es un elemento crucial para la existencia de los organismos vivos, y que tiene
muchas aplicaciones industriales importantes. Su número atómico es 6; y
pertenece al grupo 14 (o IV A) del sistema periódico.
Propiedades
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Átomo de carbono
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Las
propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la estructura cristalina
del elemento.
Un gran número
de metales se combinan con el elemento a temperaturas elevadas para formar
carburos.
Con el oxígeno forma tres
compuestos gaseosos: monóxido de carbono, CO, dioxido de carbono,
y subóxido de carbono, C3O2.
Los dos primeros son los más
importantes desde el punto de vista industrial.
El carbono es un elemento único
en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de
todos los otros elementos combinados.
El grupo más grande de estos
compuestos es el constituido por carbono e hidrógeno. Se
estima que se conoce un mínimo de 1.000.000 de compuestos orgánicos y este número
crece rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el carbono
forma otra serie de compuestos considerados como inorgánicos, en un número
mucho menor al de los orgánicos.
Las tres formas de carbono elemental
existentes en la naturaleza (diamante, grafito y carbono amorfo) son sólidos
con puntos de fusión extremadamente altos, e insolubles en todos los
disolventes a temperaturas ordinarias. Las propiedades físicas de las tres
formas difieren considerablemente a causa de las diferencias en su estructura
cristalina.
En el diamante, el material más duro
que se conoce, cada átomo está unido a otros cuatro en una estructura
tridimensional, mientras que el grafito consiste en láminas débilmente unidas
de átomos dispuestos en hexágonos.
El carbono
químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar (sacarosa)
en ausencia de aire.
El carbono tiene la capacidad única
de enlazarse con otros átomos de carbono para formar compuestos en cadena y
cíclicos muy complejos. Esta propiedad conduce a un número casi infinito de
compuestos de carbono, siendo los más comunes los que contienen carbono e
hidrógeno.
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Pieza de carbono
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Sus primeros compuestos fueron
identificados a principios del siglo XIX en la materia viva, y, debido a eso,
el estudio de los compuestos de carbono se denominó química organica
A temperaturas normales, el carbono
se caracteriza por su baja reactividad. A altas temperaturas, reacciona
directamente con la mayoría de los metales formando carburos, y con el oxígeno
formando monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2).
El carbono en forma de coque se utiliza para eliminar el oxígeno de las menas que
contienen óxidos de metales, obteniendo así el metal puro. El carbono forma
también compuestos con la mayoría de los elementos no metálicos, aunque algunos
de esos compuestos, como el tetracloruro de carbono (CCl4), han de ser obtenidos indirectamente.
Estado natural
El carbono es un elemento
ampliamente distribuido en la naturaleza, aunque sólo constituye un 0,025% de
la corteza terrestre, donde existe principalmente en forma de carbonatos.
Varios minerales, como caliza, dolomita, yeso y mármol, tienen carbonatos.
Todas las plantas y animales
vivos están formados de compuestos orgánicos complejos en donde el carbono está
combinado con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos.
Los vestigios de plantas y
animales vivos forman depósitos: de petróleo, asfalto y betún. Los depósitos de
gas natural contienen compuestos formados por carbono e hidrógeno.
El elemento libre tiene muchos
usos, que incluyen desde las aplicaciones ornamentales del diamante en joyería
hasta el pigmento de negro de humo en llantas de automóvil y tintas de
imprenta.
Otra forma del carbono, el
grafito, se utiliza para crisoles de alta temperatura, electrodos de celda seca
y de arco de luz, como puntillas de lápiz y como lubricante. El carbón vegetal,
una forma amorfa del carbono, se utiliza como absorbente de gases y agente
decolorante.
Los compuestos de carbono
tienen muchos usos.
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Diamante
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El dióxido de carbono se
utiliza en la carbonatación de bebidas, en extintores
de fuego y, en estado sólido, como enfriador (hielo seco). El
monóxido de
carbono se utiliza como agente reductor en muchos procesos
metalúrgicos. El tetracloruro de carbono y el disulfuro de carbono son
disolventes industriales importantes. El freón se utiliza en
aparatos de refrigeración. El carburo de calcio se emplea para
preparar
acetileno; es útil para soldar y cortar metales, así como para
preparar otros
compuestos orgánicos. Otros carburos metálicos tienen usos
importantes como
refractarios y como cortadores de metal.
El dióxido de carbono es
un componente importante de la atmósfera y la principal fuente de carbono que
se incorpora a la materia viva. Por medio de la fotosíntesis, los vegetales convierten el dióxido de carbono en
compuestos orgánicos de carbono, que posteriormente son consumidos por otros
organismos.
El carbono amorfo se encuentra con distintos
grados de pureza en el carbón de leña, el carbón, el coque,
el negro de carbono y el negro de humo.
El negro
de humo, al que a veces se denomina de forma incorrecta negro de carbono, se
obtiene quemando hidrocarburos líquidos como el queroseno, con una cantidad de
aire insuficiente, produciendo una llama humeante. El humo u hollín se recoge
en una cámara separada. Durante mucho tiempo se utilizó el negro de humo como
pigmento negro en tintas y pinturas, pero ha sido sustituido por el negro de
carbono, que está compuesto por partículas más finas.
El negro
de carbono, llamado también negro de gas, se obtiene por la combustión
incompleta del gas natural y se utiliza sobre todo como agente de relleno y de
refuerzo en el caucho o hule.
En 1985, los científicos volatilizaron el
grafito para producir una forma estable de molécula de carbono
consistente en
60 átomos de carbono dispuestos en una forma esférica desigual
parecida a un
balón de fútbol. La molécula recibió el nombre de
buckminsterfulereno ('pelota de Bucky' para acortar) en honor a R.
Buckminster Fuller, el inventor
de la cúpula geodésica. La molécula podría ser común en el polvo
interestelar.
Aplicaciones científicas
El isótopo del carbono más común es el carbono
12; en 1961 se eligió este isótopo para sustituir al isótopo oxígeno 16 como
medida patrón para las masas atómicas, y se le asignó la masa atómica 12.
Los isótopos carbono 13 y
carbono 14 se usan como trazadores (consultar Trazador isotópico) en la investigación bioquímica. El carbono 14 se
utiliza también en la técnica llamada metodo del carbono 14 que permite estimar
la edad de los fósiles y otras materias orgánicas. Este isótopo es producido
continuamente en la atmósfera por los rayos cósmicos, y se incorpora a toda la
materia viva.
Como el carbono 14 se
desintegra con un periodo de semidesintegración de
5.760 años, la proporción entre el carbono 14 y el carbono 12 en un espécimen
dado, proporciona una medida de su edad aproximada.
Configuración electrónica
El átomo de carbono constituye el elemento esencial de toda la química
orgánica, y debido a que las propiedades químicas de elementos y compuestos son
consecuencia de las características electrónicas de sus átomos y de sus
moléculas, es necesario considerar la configuración electrónica del átomo de
carbono para poder comprender su singular comportamiento químico.
Se trata del elemento de número atómico Z = 6. Por tal motivo su
configuración electrónica en el estado fundamental o no excitado es 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, bien de perderlos pasando a ion C4+ de configuración electrónica idéntica a
la del He.
En realidad una pérdida o ganancia de un número tan elevado de
electrones indica una dosis de energía elevada, y 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.
El carbono frente al silicio
Cabe preguntarse si la situación del carbono es singular o si por el
contrario algún otro elemento participa de sus mismas propiedades. Observando
el sistema periódico se advierte que el silicio está situado en el mismo grupo
justo debajo del carbono y con idéntica configuración electrónica externa.
¿Por qué razón la vida se ha desarrollado sobre los compuestos del
carbono y no sobre los del silicio? ¿Por qué los derivados del silicio son tan
poco numerosos frente a los del carbono?
La existencia en el silicio de
ocho electrones internos adicionales respecto del carbono hace que los
electrones externos o de valencia responsables del enlace químico estén más
alejados del núcleo y, por tanto, atraídos por él más débilmente. Ello se
traduce en que la fuerza de los enlaces del silicio es comparativamente menor;
particularmente lo es el enlace Si-Si, lo que le convierte en más reactivo, es
decir, menos estable químicamente.
No obstante, el silicio cristaliza formando una red tridimensional
semejante a la del diamante, y sus derivados constituyen el 87 % de la
composición de la corteza terrestre. Su combinación con el oxígeno origina la
sílice o cuarzo (SiO2). El carácter
francamente polar de esta unión da lugar a estructuras reticulares o redes
cristalinas que por sus propiedades se parecen enormemente a las de los sólidos
iónicos.
La química de compuestos del carbono
El átomo de carbono, debido a
su configuración electrónica, presenta una importante capacidad de combinación.
Los átomos de carbono pueden unirse entre sí formando estructuras complejas y
enlazarse a átomos o grupos de átomos que confieren a las moléculas resultantes
propiedades específicas.
La enorme diversidad en los
compuestos del carbono hace de su estudio químico una importante área del
conocimiento puro y aplicado de la ciencia actual.
Durante mucho tiempo la materia constitutiva de los seres vivos estuvo
rodeada de no pocas incógnitas. Frente a la materia mineral presentaba, entre
otras, una característica singular, su capacidad de combustión. Parecía como si
los únicos productos capaces de arder hubieran de proceder de la materia
viviente.
En los albores de la química como ciencia se advirtió, además, que si
bien la materia procedente de organismos vivos podía degradarse en materia
mineral por combustión u otros procesos químicos, no era posible de ninguna
manera llevar a cabo en el laboratorio el proceso inverso.
Argumentos de este estilo llevaron a Berzelius,
a comienzos del siglo XIX, a sugerir la existencia de dos tipos de materia en
la naturaleza, la materia orgánica o materia propia de los seres vivos, y la
materia inorgánica.
Para justificar las diferencias entre ambas se admitió que la materia
orgánica poseía una composición especial y que su formación era debida a la
intervención de una influencia singular o «fuerza vital» exclusiva de los seres
vivos y cuya manipulación no era posible en el laboratorio.
La crisis de este planteamiento, denominado vitalismo, llevó consigo
el rápido desarrollo de la química de la materia orgánica en los laboratorios,
al margen de esa supuesta «fuerza vital».
En la actualidad, superada ya la vieja clasificación de Berzelius, se denomina química orgánica a la química de los
derivados del carbono e incluye el estudio de los compuestos en los que dicho
elemento constituye una parte esencial, aunque muchos de ellos no tengan
relación alguna con la materia viviente.
HIDROCARBUROS: ASPECTOS ESTRUCTURALES
La geometría de sus moléculas.
Los hidrocarburos son los derivados del carbono más sencillos.
Resultan de la unión únicamente de átomos de carbono con átomos de hidrógeno y
de átomos de carbono entre sí formando cadenas que pueden ser abiertas o
cerradas y cuyos «eslabones» pueden estar unidos por enlaces simples o por enlaces
múltiples. Aquellos hidrocarburos que presentan únicamente enlaces simples
reciben el nombre de hidrocarburos saturados (alcanos).
El representante más sencillo de los hidrocarburos saturados es el
metano CH4; no obstante, el etano C2H6 da una
mejor idea de las características de este tipo de hidrocarburos.
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| Etano (un enlace carbono-carbono). | |
La molécula de etano está compuesta por dos átomos de carbono y seis
átomos de hidrógeno que se unen entre sí mediante enlaces covalentes sencillos.
Desde un punto de vista puramente geométrico se puede representar la molécula
de etano mediante dos tetraedros contiguos y opuestos por uno de sus vértices,
en donde los dos átomos de carbono ocupan los centros de los respectivos
tetraedros, y los de hidrógeno los vértices libres.
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| Eteno, dos carbonos con enlace doble. |
Los hidrocarburos no saturados se caracterizan,
desde el punto de vista de su estructura molecular, por la presencia
de enlaces
dobles (alquenos) o triples (alquinos). La molécula de eteno o
etileno está formada por dos átomos de carbono unidos por un enlace
doble;
mediante sus otros dos enlaces restantes cada átomo de carbono se
une a otros
tantos átomos de hidrógeno.
Efectos del Carbono sobre la salud
El carbono elemental es de una
toxicidad muy baja. Los datos presentados aquí de peligros para la salud están basados
en la exposición al negro de carbono, no carbono elemental. La inhalación
continuada de negro de carbón puede resultar en daños temporales o permanentes
a los pulmones y el corazón.
Se ha encontrado pneumoconiosis en trabajadores relacionados con la
producción de negro de carbón. También se ha dado parte de afecciones cutáneas
tales como inflamación de los folículos pilosos, y lesiones de la mucosa bucal
debidos a la exposición cutánea.
Carcinogenicidad: El negro de carbón ha sido incluido en la lista de la Agencia Internacional
de Investigación del Cáncer (AIIC) dentro del grupo 3 (agente no
clasificable con respecto a su carcinogenicidad en
humanos).
Efectos ambientales del Carbono
No se tiene
constancia de que el carbono tenga efectos negativos sobre el medio ambiente.
