Promoción de Otoño : ¡ -30% de descuento en todo el sitio ! |
Indispensable para la vida y en química orgánica, el carbono es un elemento químico no metálico de número atómico 6. Se encuentra en un gran número de compuestos naturales como las rocas calcáreas, el gas carbónico de la atmósfera y los combustibles. El carbono representa un constituyente fundamental de la materia viva. En efecto, gracias a la fotosíntesis, las plantas convierten el gas carbónico presente en el aire en hidratos de carbono. Este último es posteriormente transformado en gas carbónico por los seres vivos. Estamos hablando aquí de una cadena cerrada que constituye el ciclo del carbono.
El carbono, de símbolo C, es un elemento químico que se caracteriza por el número atómico 6. Sus isótopos naturales son tres, entre los que están:
En la tabla periódica de los elementos, el carbono es el más ligero del grupo 14. Su cuerpo simple puede tener varias formas alotrópicas, entre ellas el diamante, y principalmente, el grafito. Sin embargo, el elemento carbono es capaz de formar diferentes compuestos inorgánicos como el CO2 o dióxido de carbono. También puede crear una multitud de polímeros y compuestos orgánicos. En otras palabras, el carbono constituye el elemento básico de prácticamente todas las formas de vida que conocemos hasta ahora.
El carbono es el 15º elemento más abundante en la corteza terrestre y el 4º en el universo. En la Tierra, su presencia se caracteriza por un estado de cuerpo simple (diamante, carbón…), de compuestos orgánicos (gas natural, petróleo y biomasa) e inorgánicos (CO2). Con el tiempo, se ha descubierto progresivamente la síntesis de varias estructuras que se basan en el carbono. Se puede, por ejemplo, hablar de la fibra de carbono, del carbón activado, del negro de carbono, del nanotubo, del grafeno y de los fullerenos.
La combustión del carbono, independientemente de su forma, es la base misma del desarrollo de la tecnología. Los materiales que están mayoritariamente compuestos por él se utilizan en varios campos. Se emplean para la fabricación de baterías de iones de litio, de materiales compuestos o de electrodos para hornos de arco. También se utiliza en la descontaminación del agua y del aire o incluso en la síntesis del aluminio.
“Carbono” es un nombre procedente del latín carbo o carbönis que significa “carbón” en español. Su fabricación en forma de carbón vegetal no es de nuestra época. De hecho, también se hacía en la época de los romanos. En su forma de diamante, es conocido desde la antigüedad en Asia. También se habla de él en el Antiguo Testamento de la Biblia. El nombre de esta piedra preciosa proviene de la palabra romana adámas y adámantis que significan “acero duro”.
La aparición de la noción de elemento carbono no aparece hasta que René-Antoine Ferchault de Réaumur estudió la formación del acero a partir del hierro. Pudo constatar que la transformación es posible porque el hierro absorbe un elemento. La combustión de carbón y diamantes fue posteriormente estudiada en 1772 por Antoine Lavoisier. Esto le permitió afirmar que es posible detectar la formación de dióxido de carbono, pero no la del agua. Estos estudios demostraron así que estas materias están ambas formadas de carbono íntegramente o mayoritariamente.
El grafito natural es también un material conocido desde la antigüedad, aunque se confundía con la molibdenita en aquella época. Se creía por tanto que se trataba de una forma de plomo. No fue hasta 1779 cuando Carl Wilhelm Scheele pudo demostrar que el grafito está principalmente compuesto de carbono. En 1787, un artículo de la Nomenclatura química de Louis-Bernard Guyton-Morveau permitió afirmar que el carbono era la forma pura del carbón.
La palabra “carbono” no apareció hasta la 6ª edición del diccionario de la Academia francesa. Su auge para la producción de energía corresponde al siglo XIX. En 1865, la cantidad de carbono contenida en las principales maderas para energía en París fue publicada por Antoine César Becquerel. Así se observó que:
La creciente importancia del carbono marca luego la historia. En 1828, se descubrió la química orgánica y los compuestos orgánicos. En 1842, August Wöhler sentó las bases de la futura “ciencia de los materiales” con la resistencia de los materiales. El año 1985 estuvo marcado por el descubrimiento de los fullerenos por Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley. Más recientemente, en 2004, Andre Geim descubrió el grafeno. Se trata de una materia compuesta de una única capa de grafito.
Después de haber visto el carbono y su recorrido en el tiempo, es ahora momento de descubrir lo que lo convierte en un elemento.
Es importante señalar que el elemento carbono no vio directamente la luz gracias a la nucleosíntesis primordial, más comúnmente llamada “Big Bang”. De hecho, las condiciones que debían asegurar su formación no estaban presentes. En otras palabras, el enfriamiento así como la dilatación del universo fueron demasiado rápidos. Sin embargo, se produce en cantidades importantes en las estrellas muy masivas de la rama horizontal en la que tres núcleos de helio se fusionan. Hablamos aquí de la reacción triple alfa.
En cuanto a la Tierra, el carbono está presente desde la formación del planeta. Se encuentra en forma de sedimentos como el carbón y el petróleo o en forma pura como el diamante y el grafito. Es importante señalar que los diamantes naturales pueden encontrarse al nivel de las chimeneas de antiguos volcanes, en la kimberlita de éstos. Esto se observa en Arkansas y en Sudáfrica en particular. Algunos meteoritos también pueden contener diamantes microscópicos.
En la naturaleza, el carbono se caracteriza por la presencia de dos isótopos estables:
Notemos que la masa atómica del carbono (de 12,010 7) es superior al valor de 12. Esto se debe a la presencia del isótopo 13C.
Además, el carbono también dispone de dos radioisótopos. Uno de ellos es el carbono 14 o 14C que corresponde a un período radiactivo de 5.730 años. Se utiliza de manera corriente en la arqueología para la datación de objetos que pueden alcanzar la edad de 50.000 años. En el futuro, el carbono 14 será inútil para los arqueólogos que hagan sus investigaciones sobre nuestra civilización actual. En efecto, las explosiones termonucleares desde los años 1960 en la atmósfera han resultado en excesos radiactivos muy importantes.
El segundo radioisótopo es el carbono 11 o 11C que posee un período de 20 minutos. Se utiliza en medicina nuclear en tomografía por emisión de posición notablemente. Esto se debe a su corto período y a la simplicidad de sustitución de un átomo de 11C a un átomo de 12C más estable. Hay que señalar que los radiotrazadores más empleados hoy en día son:
Se trata de elementos indispensables en la medicina de nuestra época.
El carbono adopta una configuración electrónica en su estado fundamental 1s² 2s² 2p². Dispone de seis electrones, de los cuales cuatro al nivel de su capa de valencia. Esta característica le da la posibilidad de formar enlaces covalentes de tipo σ o de tipo π. Notemos que los enlaces de tipo π siempre van acompañados de un enlace de tipo σ.
El cuerpo simple del carbono se caracteriza por un estado sólido y un estado líquido y gaseoso.
Es importante precisar en primer lugar que existen 8 formas de carbono, a saber:
Las dos formas más extendidas del carbono son el grafito y el diamante. Se diferencian por sus propiedades, pero también por su aspecto. En detalle, el grafito corresponde a un apilamiento de estructuras cristalinas monoplanas y hexagonales. Su color es gris. Se trata de la forma de carbono estable a temperatura y presión ambiente. El diamante, por su parte, es una estructura cristalina tetraédrica transparente. Se trata de la forma metaestable a temperatura y presión ambiente y estable a alta presión y alta temperatura. Así, en condiciones de presión llamadas “normales”, el grafito es la forma más clásica del carbono. Cuenta por tanto con átomos que están unidos cada uno a otros tres para formar una capa de anillos hexagonales fusionados. Esto se asemeja a compuestos aromáticos hidrocarbonados.
El diamante es una forma de carbono cristalina muy buscada en el mundo. Gracias a la resistencia de los enlaces carbono-carbono, y al igual que el nitruro de boro, el diamante es una materia prácticamente imposible de rayar. Su metamorfosis en grafito es posible en un entorno a temperatura ambiente, pero es prácticamente indetectable debido a la lentitud del proceso. Además, en condiciones específicas, el carbono puede cristalizar y transformarse en lonsdaleíta. Se trata de una forma que se acerca a la del diamante, pero de estructura hexagonal. Entre todas las piedras preciosas que existen, sólo el diamante se consume completamente.
Además del grafito puro sp2 y el diamante puro sp3, el carbono puede presentarse bajo una forma amorfa y muy desordenada. Hablamos aquí del a-C que se caracteriza por un compuesto de sitios con tres enlaces (grafito) o con cuatro enlaces (diamante). Para la fabricación de esta materia, existen numerosos métodos. Se puede, por ejemplo, citar la evaporación por haz de electrones, la pulverización, el depósito por arco eléctrico o incluso la ablación láser, entre otros. Por otra parte, fue en 2019 cuando la molécula cíclica C18 pura sp1 fue sintetizada. Esto se realizó por eliminación de los grupos CO en el óxido C24O6.
También es importante saber que las cebollas de carbono son estructuras de tipo fullereno. Sin embargo, su pared se compone de varias capas de carbono. En cuanto a estas formas cilíndricas, éstas son llamadas “nanotubos” o nanotubo de carbono, cuya abreviatura es: NTC. Fueron descubiertas durante la síntesis de fullerenos al nivel del residuo que se forma en el cátodo del arco eléctrico.
Se trata de objetos de tamaño nanométrico con una longitud de milímetro. Se parecen a planos de carbono de espesor monoatómico que se enrollan sobre sí mismos, formando un tubo de diámetro nanométrico. Notemos que los nanotubos que disponen de una pared constituida por un único plano de carbono son llamados “monocapa”. Los que se definen como “multicapa” son realizados según el método del arco eléctrico.
El grafeno, por su parte, está compuesto por un único plano de carbono que dispone de un espesor monoatómico. Se puede obtener muy simplemente extrayendo un plano de carbono de un cristal de grafito.
La sublimación del carbono cuando está en forma de grafito se efectúa a 4.100 K (kelvin). Bajo una forma gaseosa, está constituido por pequeñas cadenas de átomos que se llaman carbinos. Cuando estas últimas son enfriadas de manera muy lenta, se fusionan para crear las hojas grafíticas irregulares y deformadas que forman el hollín. Entre ellas, se puede encontrar la forma esférica monocapa C60 que se denomina fullereno. Más precisamente, hablamos de buckminsterfullereno y sus variedades Cn (20 ≤ n ≤ 100). Éstas forman estructuras muy rígidas.
Además, la formación del carbono líquido sólo es posible cuando la temperatura y la presión está por encima del punto triple. Hablamos por tanto de valores superiores a 10,8 ± 0,2 MPa, es decir 100 veces más que la presión atmosférica y 4.600 ± 300 Kb.
Hemos visto que el carbono es un elemento esencial de los compuestos orgánicos que disponen al menos de un enlace carbono-hidrógeno. Sabemos igualmente que también existe bajo una forma inorgánica, principalmente como dióxido de carbono. Se encuentra también bajo una forma mineral.
Hay que saber que la química del carbono es de naturaleza covalente. Se presenta como la base de un cierto número de compuestos que disponen de un número importante de átomos. Esto no es sin embargo posible más que cuando está asociado por enlaces simples, dobles o triples con:
La química orgánica está por tanto constituida por la síntesis y el estudio de estos compuestos. Los principales son los hidrocarburos. Se trata de moléculas que combinan a la vez el hidrógeno y el carbono. Existen tres familias, a saber:
Se entiende por tanto que numerosos enlaces pueden formarse.
En función del número de átomos de carbono, los sufijos -ano, -eno o -ino deben ir precedidos de:
Sabemos también que alrededor de los enlaces simples carbono-carbono, la rotación es libre. Sin embargo, la rigidez es obligada a nivel de los enlaces dobles o triples. Así, el enlace doble se presenta como planar y los ángulos de enlace alrededor de los átomos de carbono son iguales a 120°. La formación de diastereómeros es por tanto posible. Esto significa que los compuestos disponen de una misma fórmula química, pero que la disposición de los átomos en el espacio difiere. Para el enlace triple, hablamos de linealidad.
Por otra parte, el carbono sp3 es capaz de crear compuestos llamados “quirales”. Podemos, por ejemplo, hablar del caso más simple del compuesto formado por cuatro sustituyentes diversos alrededor de un átomo de carbono. En función de la disposición de éstos en el espacio, las dos moléculas que obtenemos son diferentes. En efecto, no pueden ser superponibles. Hablamos de un par de enantiómeros. Se trata de una imagen de uno y otro en un espejo, un poco como nuestras dos manos.
En cuanto a los hidrocarburos aromáticos, ciclos o núcleos estabilizados por enlaces π deslocalizados son formados por los átomos de carbono.
Se trata de un tipo de átomo de carbono bastante raro comparado con las versiones llamadas “orgánicas” y “minerales”. Se encuentra más a menudo bajo la forma de complejos organometálicos o inorgánicos. En sus esferas de coordinación, éstos cuentan con una molécula de CO o de CO2 o un átomo de carbono desnudo. Entonces se puede ver:
Hay que señalar que estos complejos se dan a título de ejemplo.
En la atmósfera terrestre, la molécula de CO2 o dióxido de carbono se presenta en estado gaseoso. Una cantidad específica de este elemento está disuelta en las aguas continentales y oceánicas. Otra parte disuelta entra en reacción con la molécula de agua para crear ácido carbónico H2CO2. La reacción es por tanto: H2O + CO2 (disuelto) = H2CO3.
Se cuenta también el H2CO3 o dihidrogenocarbonato que es un diácido. Éste libera protones en el marco de las constantes de acidez de las parejas ácido-base (H2CO3/HCO3−) y (HCO3−/CO32−). Existe también la composición en solutos ácido-base del agua con respecto a las ecuaciones: H2CO3 + H2O ⇔ HCO3− (ion hidrogenocarbonato, o bicarbonato) + H3O+ (ion hidronio, o protón hidratado) y HCO3− + H2O ⇔ CO32− (ion carbonato) + H3O+.
Sin embargo, en el agua de mar, este conjunto de carbonatos está presente en grandes proporciones. Es por tanto la razón por la cual el agua oceánica es también rica en acidez con un pH 8,1-8,4 y estable. Hablamos aquí de una tasa de carbonatos y boratos que se llama la alcalinidad.
En su forma pura, el carbono tiene sólo una baja toxicidad para los humanos. Se puede manipular e ingerir sin peligro cuando está en forma de carbón vegetal o de grafito. Dispone de una resistencia probada contra el ataque químico o la disolución. De hecho, el carbón procedente de coco se emplea en la medicina. El disulfuro de carbono CS2, por su parte, es altamente tóxico. Se utiliza como solvente en la vulcanización del caucho. En cuanto al monóxido de carbono, éste es un gas incoloro e inodoro. Se forma tras la combustión incompleta de compuestos orgánicos o de carbono puro. En caso de ingestión, se une a la hemoglobina sanguínea y forma carboxihemoglobina. Esto provoca el envenenamiento de las moléculas de hemoglobina. Una reacción que puede ser mortal.
a partir de 49€
Hecho en España
Disponible, 7 días a la semana
Dentro de 14 días, satisfecho o reembolsado
PayPal, tarjeta de crédito, Visa, Mastercard, transferencia bancaria
4x sin intereses desde 30€ de compra con PayPal