Profundización

Elementos de la Tabla Periódica

Carbono

Símbolo: C
Clasificación: Elementos carbonoides Grupo 14  No metal

Es un elemento crucial para la existencia de los organismos vivos, y que tiene muchas aplicaciones industriales importantes.


Número Atómico: 6
Masa Atómica: 12,0107
Número de protones/electrones: 6
Número de neutrones (Isótopo 12-C): 6
Estructura electrónica: [He] 2s2 2p2
Electrones en los niveles de energía: 2, 4
Números de oxidación: -4, +2 (CO), +4


Electronegatividad: 2,55
Energía de ionización (kJ.mol-1): 1090
Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 122
Radio atómico (pm): 77
Radio iónico (pm) (carga del ion): 260 (-4)


Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 105,1
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 710,9


Punto de Fusión (ºC): 3550 (diamante), 3527 (grafito), 800 (C60, sublima)
Punto de Ebullición (ºC): 4827 (sublima)
Densidad (kg/m3): 2260 (grafito), 3513 (diamante) y 1650 (fullerita); (20ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 3,42
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Puede ser negro.


Vida Media: Dos isótopos naturales: 12-C (98,90%) y 13-C (1,10%). Trece isótopos inestables cuyas vidas medias oscilan entre los 200 nanosegundos (22-C) y 5.730 años (14-C). En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (I.U.P.A.C.) adoptó el isótopo 12-C como referencia de pesos atómicos. El 14-C se usa en la datación (método del radiocarbono) de la antigüedad de restos: madera, arqueológicos, etc., (hasta un máximo de 60.000 años de antigüedad).


Descubierto en: Antigüedad (Prehistoria)
Descubierto por: Desconocido
Fuentes: Depósitos de combustibles fósiles y minerales ampliamente distribuidos en la naturaleza. Kimberlita (diamantes).
Usos: El acero es una aleación de hierro y carbono; en todos los combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural) hay compuestos de carbono. Continuamente se usa el carbono: grafito (lápices, filtros, lubricantes, electrodos,...), diamantes (de perforación, tallado, pulido, joyería,...).

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. 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 en la investigación bioquímica. El carbono 14 se utiliza también en la técnica llamada método 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.


Curiosidades sobre el elemento: Las dos modificaciones fundamentales del carbono son conocidas desde hace tiempo: el diamante y su poco parecido gemelo elemental, el grafito. En 1799, J.F. Clouet y H. Guillton demostraron que el diamante era carbono puro y H. Guillton lo hizo con el grafito. La primera preparación de grafito puro la hizo H. B. Castner en 1893.

El carbono es conocido desde tiempos prehistóricos y se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza: constituye el 0,02% en peso de la corteza. La vida en la Tierra está basada en el carbono. Es un elemento abundante en el Sol, las estrellas, cometas y atmósfera de muchos planetas (en forma de CO2). La energía del Sol y de las estrellas puede atribuirse en parte al ciclo del carbono-nitrógeno. En forma de diamantes microscópicos se encuentra en algunos meteoritos. Diamantes naturales (la forma más pura de carbono) se encuentran en la kimberlita (roca eruptiva, básica, rica en olivino [(Mg,Fe)SiO4], diopsida [CaMgSi2O6], titanita (CaTi[SiO4(O)] y otros) de antiguas chimeneas volcánicas (Sudáfrica, Estados Unidos, Brasil, Congo, Rusia). También se están obteniendo diamantes del fondo del mar en Sudáfrica. Alrededor del 30% de los diamantes que se consumen en la industria son sintéticos.

El carbono es un no metal inodoro e insípido, muy reactivo y reductor de la mayoría de los óxidos a elevadas temperaturas.

Con oxígeno se quema para producir los óxidos (CO y CO2) y la temperatura de inflamación depende del grado de división del carbono.

Es insoluble en la mayoría de los disolventes. Se disuelve en algunos metales fundidos: hierro, cobalto y níquel.

Se encuentra en la naturaleza en cuatro formas alotrópicas: nanotubos, fullerenos, grafito y diamante. Actualmente se piensa que hay otra forma, el carbono blanco y que el carbono amorfo no es una forma alotrópica.

El diamante (red cúbica, aunque también existe el diamante hexagonal) es uno de los materiales más duros (10 en la escala de Mohs), aunque es quebradizo. Es incoloro. Su conductividad térmica es alta (cinco veces mayor que la del cobre). No conduce la corriente. Es insoluble en disolventes líquidos. No es la forma estable. Se obtiene de minas o sintético (desde 1955) a partir de otras formas de carbono a más de 1500ºC y 80000 atm en presencia de pequeñas cantidades de metales tales como cromo o hierro, que fundidos disuelven el grafito y al enfriarse se forman los cristales de diamante ya que es menos soluble que el grafito en el metal fundido, o mediante cultivo a partir de microdiamantes a muy baja presión en atmósfera de carbono a 1000ºC.

Otro método es la descomposición térmica del metano: los átomos de carbono se depositan sobre una superficie fría como grafito y diamante, pero los átomos de hidrógeno producidos en la descomposición reaccionan más rápidamente con el grafito para formar hidrocarburos volátiles con lo que la mezcla se enriquece en diamantes. La cantidad de diamante producido por síntesis supera al extraído de minas. Se emplea en joyería y en herramientas de corte, taladro, pulido,...

El grafito es muy blando y quebradizo, de tacto resbaladizo. Su color va del gris mate al acerado. Es la forma más abundante. Se presenta en dos formas, que tienen idénticas propiedades físicas pero diferente tipo de estructura cristalina: b (romboédrica) (30%) y a (hexagonal) (70%). En ambos casos la red está formada por capas muy estables que se encuentran unidas muy débilmente, lo que origina una gran anisotropía de propiedades: en el sentido paralelo a las capas la conductividad calorífica es semejante a la del cobre y en sentido perpendicular es un 2% de la anterior. Su conductividad eléctrica tiene un comportamiento similar. Lo mismo ocurre con la dureza que es 9 y 0,5, respectivamente.

Es insoluble en disolventes líquidos. Se extrae de minas y se purifica por métodos mecánicos y termoquímicos. También se obtiene grafito artificial (por primera vez, Bunsen, en 1842, a partir de hulla por calentamiento y en forma pura H. B. Castner en 1893), de forma industrial desde 1895 según un método desarrollado por Acheson: se mezcla coque con brea, alquitrán de hulla o derivados del petróleo y se calcinan; a continuación las varillas obtenidas se transforman en grafito en un horno eléctrico a 2700ºC durante varios días. La producción de grafito artificial supera a la de extraído.

El grafito sintético contiene sólo forma a. La conversión de a a b se realiza por tratamiento mecánico y al contrario calentando por encima de 1000º C.

El grafito se emplea como material estable frente a la corrosión en la fabricación de crisoles y recubrimiento de hornos y otros aparatos. También como electrodo (suele ser grafito artificial), engrasante, lubricante, minas de lápices y colorante de pinturas protectoras. Debido a su baja sección de captura de neutrones térmicos, el grafito de elevada pureza se emplea como moderador en reactores nucleares.

El carbono amorfo no es una modificación auténtica del carbono: junto a átomos de carbono desordenados aparecen cristales de grafito. Son carbono amorfo el negro de humo y el carbón activo.

El negro de humo u hollín es carbón finamente dividido que contiene hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre con una estructura semejante a la del grafito; es un buen adsorbente. Se obtiene por combustión incompleta de mezclas de hidrocarburos en hornos cerrados. Se utiliza para fortalecer y reforzar la goma de neumáticos y otros artículos, como colorante (tintas).

El carbón activo es material muy poroso (hasta 2000 m2/g) -es muy buen adsorbente- y muy activo químicamente. Se obtiene a partir de carbón, leña u otro material carbonífero por acción del cloruro de cinc o el ácido fosfórico (deshidratantes) a 400-1000ºC y posterior extracción de los reactivos químicos o por acción del vapor de agua o CO2 a 800-1000ºC. El producto bruto obtenido se carboniza en hornos giratorios. Se emplea como adsorbente: para eliminar vapores orgánicos, filtración de disoluciones (decoloración del azúcar), purificación de aguas potables, en máscaras de gases y filtros de cigarrillos.

En 1969 se obtuvo una nueva forma de carbono mediante sublimación de grafito a bajas presiones:

en condiciones de vaporización libre por encima de 2550 K, el carbono blanco forma pequeños cristales transparentes en los cantos de los planos de grafito. El espacio interplanar del carbono blanco es idéntico a los de la forma de carbono que se presenta en el grafito de gneis del cráter Ries (de origen meteórico) de Alemania. El carbono blanco es un material transparente birrefringente. Se dispone de poca información adicional sobre este alótropo.

Los fullerenos son nuevas formas sólidas de un número finito de átomos de carbono (32, 44, 50, 58, 60, 70, 240, 540, 960) unidos entre sí para formar estructuras huecas cerradas (bolas o cúpulas geodésicas cerradas). Realmente es la única forma de carbono puro. Estas especies de carbono puro son enormemente estables. Descubiertas en 1983 por Huffman y Krätschmer al evaporar grafito en una atmósfera de helio a una presión 1/7 de la normal y disolver el hollín en benceno o tolueno, dando una solución de color rojo; la evaporación del disolvente producía cristales que sublimaban a unos 400ºC y que al enfriarse en capas finas, éstas adquirían un color amarillo. La sustancia obtenida contenía un 75% de C60, un 23% de C70 y una serie de elementos más pesados. La forma actual de obtenerlos es haciendo saltar un arco entre dos electrodos de grafito o sublimando grafito por acción de un láser. Son muy abundantes, quizás más que grafito y diamante: se encuentran en el humo de los fuegos y en las gigantes rojas (estrellas con baja temperatura superficial y gran diámetro). Estas sustancias parecen abrir un nuevo campo de la Química.

La forma del fullereno más interesante y abundante, C60 (buckminsterfullereno), es la de un icosaedro truncado (cuyas caras son pentágonos y hexágonos). Cristaliza en una red cúbica centrada en las caras en la que cada partícula (bola) dista de la contigua por algo más de 10 angstrom; estos cristales son blandos como el grafito y se denominan fulleritas. Son solubles en benceno y tolueno. Si los cristales se comprimen para reducir su volumen hasta un 70% del valor inicial, superan la dureza del diamante, recuperando el volumen al cesar la compresión. tras propiedades destacables de C60 son las electrónicas: según las formas compuestas en que se presente, se comportará como aislante, conductor, semiconductor o superconductor: C60 cristalizado es un semiconductor del tipo arseniuro de galio.

Si se mezcla o contamina C60 con potasio se obtiene una sal que conduce la corriente, siendo máxima la conductividad cuando se unen tres átomos de potasio a cada bola (K3C60); el potasio se sitúa en las cavidades existentes entre las esferas. Si se añade demasiado potasio, el material obtenido se comporta como aislante. El K3C60 por debajo de 18 K es superconductor. Si en vez de potasio se emplea rubidio, la temperatura crítica de superconductividad se presenta a 30 K. Con rubidio-talio se sube a 43 K. Estos materiales son muy estables y se parecen en sus características magnéticas a las cerámicas superconductoras a elevada temperatura de itrio, bario y óxido de cobre. Se está intentando obtener materiales con otros elementos del Sistema Periódico. También parece ser que los complejos de fullereno tienen propiedades ferromagnéticas [(TDAE)C60] (TDAE = tetrakisdietilaminoetileno).

Se ha logrado obtener C60F60, lo que podría dar lugar a una nueva generación de lubricantes. Cierto metanofullereno soluble en agua inhibe la proteasa del virus del SIDA.

También se han obtenido heterofullerenos: un átomo de carbono es sustituido por uno de nitrógeno, boro, ......, con lo que se modifican las propiedades electrónicas y la reactividad química de estos compuestos.

Otras aplicaciones de los fullerenos podrían ser la fabricación de fibras. Se han obtenido cilindros concéntricos con una luz de 2 nm (lo que puede dar lugar a efectos cuánticos) y un micrómetro de longitud (nanotubos), formados por anillos de carbono hexagonales unidos entre sí, desarrollándose en espiral; son como las capas de grafito pero cilíndricas. Los nanotubos de carbono se descubrieron en 1991 en el hollín obtenido tras una descarga eléctrica utilizando electrodos de grafito en atmósfera de argón. Actualmente se obtienen, junto con los fullerenos, vaporizando grafito en un horno por acción de un láser en atmósfera de argón. También se pueden producir mediante pirólisis de hidrocarburos en presencia de un catalizador metálico (níquel, cobalto en polvo). Estos nanotubos son tubos de carbono de varias paredes concéntricas. En presencia de átomos metálicos (hierro, níquel o cobalto), los nanotubos formados son de una pared; el metal, además, impide el cerramiento del nanotubo para formar fullerenos, alcanzándose mayores longitudes. Estos nanotubos pueden organizarse formando haces de cuerdas de longitudes próximas a 0,1 milímetros. El número de átomos de carbono que los constituyen es del orden de 106-107 y están organizados en estructuras hexagonales. Son materiales frágiles, aunque en ensayos simulados por ordenador, parece que tienen una gran resistencia a la tensión: Podrían servir para la fabricación de hilos de escaso diámetro (de un átomo: pueden introducirse átomos de metales en su interior). Dependiendo de la estructura unos pueden conducir la corriente como los metales y otros no; podrían usarse como cables cuánticos unidimensionales, actuando como semiconductor o metal según la geometría. También se han hecho ensayos de rectificación. Tienen un alta conductividad térmica a lo largo del tubo y muy baja en dirección perpendicular, por lo que podrían emplearse en microelectrónica y en ordenadores con menor sobrecalentamiento en sus dispositivos.

Entre los compuestos de carbono se encuentran:

El dióxido de carbono de la atmósfera (0,03%) y de las aguas de la Tierra. La atmósfera de Marte contiene 96,2% de CO2. Es un gas incoloro e inodoro. Se forma cuando arde materia orgánica en el aire. Disuelto en agua, parte de él reacciona formando el ácido y otras especies, de forma que las disoluciones acuosas son mezclas en equilibrio de CO2, H2CO3, HCO3- y una pequeña cantidad de CO3-2.

Es transformado por plantas y bacterias en hidratos de carbono que, al ser ingeridos por los animales, se transforman en otros compuestos, que al morir los seres vivos, se transforman en hidrocarburos y otras sustancias que con el tiempo se convierten en carbón, turba, gas natural, petróleo y otros combustibles fósiles. La combustión de estos materiales y la respiración producen CO2. El aumento de la concentración en la atmósfera está relacionado con el efecto invernadero: la mayor parte de la luz que atraviesa la atmósfera corresponde a la zona visible del espectro; ni el dióxido de carbono ni el vapor de agua absorben esta radiación, por lo que llega a la superficie terrestre. La Tierra refleja parte de la energía solar en forma de radicación infrarroja (calorífica, menos energética) que si es absorbida por ambas sustancias, por lo que no escapa al exterior y de esta forma no se mantiene el equilibrio térmico y la atmósfera se calienta.

El monóxido de carbono (CO, gas tóxico, incoloro e inodoro, inflamable, casi insoluble en agua, no muy reactivo). Es una base de Lewis por lo que forma enlaces covalentes con átomos e iones de metales del grupo d (complejos). Se produce en la combustión de carbón o materia orgánica con escasez de aire (tabaco, motores mal ajustados). Industrialmente se produce CO + H2 (gas de síntesis) por reacción entre un hidrocarburo (metano) y vapor de agua a unos 800ºC en presencia de níquel como catalizador; el gas de síntesis se emplea en la síntesis de numerosos compuestos: metanol, níquel tetracarbonilo para obtener níquel en el proceso Mond. Se emplea como reductor en la obtención de numerosos metales. La toxicidad se debe a que se une más fuertemente al hierro de la hemoglobina que el oxígeno.

Los carbonatos de calcio, magnesio constituyen grandes masas rocosas (rocas calizas: calcita (CaCO3), mármol (CaCO3), magnesita (MgCO3), dolomita (CaCO3.MgCO3). También carbonato de hierro (siderita [FeCO3]) y de otros metales: manganeso, estroncio, bario, plomo, cinc,..... Sus yacimientos constituyen montañas enteras.

El carbón, petróleo y el gas natural son principalmente hidrocarburos.

Es el elemento que más compuestos (y más variados) forma, uniéndose al hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos; en estos compuestos los átomos de carbono están unidos entre sí formando cadenas más o menos grandes. Así, hay cerca de 10 millones de compuestos de carbono conocidos, y varios miles de ellos son vitales para los procesos de la vida. Sin carbono, la vida sería imposible, pues el silicio que en principio tienen la misma capacidad de unión, no es capaz de formar compuestos estables con cadenas de átomos de silicio largas.

Otros compuestos de carbono importantes son: disulfuro de carbono (CS2), cloroformo (CHCl3), tetracloruro de carbono (CCl4), metano (CH4), etileno (C2H4), acetileno (C2H2), benceno (C6H6), etanol (CH3CH2OH), ácido acético (CH3COOH) y sus derivados.
Con los metales y no metales forma los carburos: