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Sigue leyendo para saber más sobre este elemento químico, los compuestos que puede formar en distintas condiciones y las aplicaciones de sus derivados.
Alótropos del carbono: Definición
El carbono ocupa un lugar especial en la tabla periódica. El carbono existe en todas partes, ya sea en forma elemental (por sí solo) o como compuesto (en moléculas con otros elementos). Está presente en los lápices con los que escribes, el papel en el que escribes, la tiza, el azúcar, la madera... ¡lo que quieras! De hecho, alrededor del 12% de los átomos del cuerpo humano son átomos de Carbono. En este artículo conocerás la molécula que forma el Carbono en su forma elemental.
Laforma elemental se refiere a los átomos o moléculas que contienen átomos de un solo elemento.
Por ejemplo, el H2 es la forma elemental del Hidrógeno, porque el Hidrógeno existe en el medio ambiente como H2. Cuando un elemento puede existir en múltiples formas elementales, esas formas elementales se llaman alótropos.
Un alótropo es una de las múltiples formas físicas en las que puede existir un elemento. Por ejemplo, el Oxígeno tiene 3 alótropos: O2 (Oxígeno que respiras), O3 (Ozono) u O4.
Del mismo modo, el Carbono tiene numerosos alótropos. La configuración electrónica del Carbono es 1s2 2s2 2p2. Tiene una valencia de 4, ya que hay 4 electrones en su capa de valencia. Para completar su octeto, necesita 4 electrones más. Por tanto, el carbono establece 4 enlaces covalentes con otros átomos.
La regla del Octeto del enlace químico establece que los elementos intentan establecer enlaces entre sí de modo que todos tengan 8 electrones en su capa de valencia. Tener 8 electrones en la capa de valencia se considera una configuración electrónica estable.
Un enlace covalente es un enlace químico que se forma cuando los elementos comparten pares de electrones entre sí. Para saber más sobre los enlaces covalentes, visita Enlace covalente.
El carbono tiene la capacidad de formar moléculas estables de cadena larga con átomos unidos por enlaces covalentes. Esta capacidad permite que el carbono tenga tantos alótropos, ¡algunos incluso contienen 70 átomos de carbono! Hay dos tipos de alótropos del carbono:
- Carbono cristalino.
- Carbonoamorfo.
Veamos los ejemplos de cada uno de estos dos.
Carbono Cristalino
Un cristal es un sólido en el que los átomos están dispuestos en un orden repetitivo de alguna estructura básica. Un material con una estructura cristalina se dice que es cristalino.
Ejemplos de alótropos cristalinos del Carbono son el Diamante, el Grafito y el Fullereno. Leerás sobre algunas propiedades de cada uno de ellos y su estructura subyacente que los hace cristalinos.
Tipos de alótropos del carbono
Estudiaremos los tipos de alótropos del carbono.
Diamante
Sí, el mismo diamante que se utiliza en joyería. El diamante está completamente formado por átomos de carbono. En el diamante, cada átomo de carbono forma 4 enlaces covalentes simples con otros 4 átomos de carbono. La estructura molecular en la que están dispuestos los átomos en el Diamante, y la presencia de fuertes enlaces covalentes, hacen del Diamante elmaterial más duro del mundo.
Los átomos del Diamante están dispuestos en unaestructura tetraédrica . La figura te ayudará a visualizar la estructura del Diamante.
Como el Diamante está formado por repeticiones de tetraedros de átomos de Carbono, forma una estructura cristalina.8
Otras propiedades importantes del Diamante son
- Excelente aislante eléctrico.
- Buen conductor del calor.
- Alto punto de fusión.
- Muy baja reactividad química.
- Amplia transparencia óptica.
El diamante, al ser el material más duro del mundo, resulta útil para muchas aplicaciones, como su uso en herramientas de corte industriales, herramientas de fresado, herramientas de rectificado, sierras, etc. Su rareza, baja reactividad química (por tanto, alta compatibilidad biológica) y, por supuesto, su belleza lo convierten en un material valioso en la industria joyera. El diamante sólo se forma de forma natural en las condiciones de alta temperatura y presión que se dan bajo la corteza terrestre y no puede crearse en un laboratorio. El diamante tiene muchos otros usos y propiedades interesantes, sobre los que puedes leer en un artículo dedicado al Diamante.
Grafito
El Grafito es otro alótropo cristalino del Carbono. Al igual que el Diamante, se forma de forma natural en condiciones de alta temperatura y presión que se encuentran bajo la corteza terrestre. En el Grafito, cada átomo de Carbono establece 3 enlaces covalentes simples con otros 3 átomos de Carbono. Los átomos forman una capa plana de anillos hexagonales unidos. Cada anillo tiene 6 átomos de carbono, y numerosas capas de este tipo apiladas unas sobre otras forman la estructura del Grafito. Mira la imagen para visualizarlo mejor.
Como cada átomo de Carbono sólo realiza 3 enlaces covalentes, tiene un electrón libre no apareado. Este electrón no apareado está deslocalizado en la estructura del Grafito, es decir, no está asociado a ningún átomo en particular y puede moverse por toda la estructura. Esto permite al grafito conducir la electricidad. Además, gracias a estos electrones existen fuerzas intermoleculares débiles entre las capas (mostradas por las líneas de puntos), lo que permite que las capas se deslicen unas sobre otras, razón por la que el grafito es blando y suave. Esto convierte al grafito en el único lubricante de estado sólido que se encuentra en la naturaleza. Otras propiedades del Grafito son
- Buen conductor del calor.
- Elevado punto de fusión y ebullición.
- Gran estabilidad térmica.
¿Sabías que las "minas" de los lápices están hechas de grafito? ¿Y que, por eso, las minas de los lápices pueden conducir la electricidad? Si quieres conocer más propiedades interesantes del grafito, visita este artículo.
Fullereno
Los fullerenos son moléculas de átomos de carbono con estructuras huecas. Los fullerenos suelen tener anillos hexagonales de 6 carbonos, pero a veces también tienen anillos pentagonales de 5 carbonos. La primera molécula de fullereno que se descubrió es el Buckminsterfullereno (C60).
El Buckminsterfullereno es una molécula de 60 átomos de carbono dispuestos en forma esférica hueca, como puedes ver en la figura. En su estructura hay 20 anillos hexagonales y 12 anillos pentagonales. Los fullerenos pueden utilizarse como lubricantes, catalizadores o incluso en productos farmacéuticos para atacar bacterias específicas del organismo.
Otro grupo interesante y relativamente nuevo de moléculas de fullereno se llama nanotubo de carbono, y son exactamente lo que sugiere su nombre.
Imagina que cortas una sola capa de Grafito. Una sola capa de Grafito tendrá 1 átomo de grosor y habrá unido 6 anillos de Carbono. Ahora dobla esta capa para formar un tubo, y lo que tienes es un nanotubo de carbono. Los nanotubos de carbono tienen una gran resistencia a la tracción, lo que significa que pueden estirarse sin romperse. También son buenos conductores de la electricidad y el calor debido a los electrones deslocalizados, igual que el grafito. Si te parecen sumamente interesantes y quieres saber más sobre los fullerenos, haz clic aquí.
Una sola capa de grafeno se llama grafeno. El grafeno es otro ejemplo de alótropo cristalino del carbono. Al igual que el grafito, tiene una alta conductividad térmica y una alta conductividad eléctrica debido a los electrones deslocalizados. El grafeno también tiene una gran elasticidad y flexibilidad.
Aplicaciones de los alótropos del carbono: Carbones amorfos
En los ejemplos de alótropos del carbono cristalino, vimos que todas las moléculas tienen una estructura subyacente repetitiva. Cuando la estructura subyacente de un material es aleatoria y no ordenada o repetitiva, se denominan amorfos. A nivel molecular, puede observarse cierto orden de corto alcance en la estructura, pero nunca una disposición ordenada de largo alcance. Todos los alótropos amorfos del Carbono son opacos, es decir, no dejan pasar la luz. Algunos ejemplos de Carbono amorfo son el carbón vegetal, el carbón de leña, el negro de las lámparas, el carbono gaseoso, el hollín y el coque. Hay que tener en cuenta que estos carbones amorfos se forman generalmente con muchas más impurezas (presencia de elementos distintos del Carbono) que los carbones cristalinos.
Los carbonos amorfos han encontrado aplicaciones en:
- Textil.
- Plástico.
- Envases alimentarios.
- Aplicaciones eléctricas.
- Filtración de gas y agua.
- Industria sanitaria.
Alótropos del carbono - Puntos clave
- Laforma elemental se refiere a los átomos o moléculas que contienen átomos de un solo elemento.
- Un alótropo es una de las múltiples formas físicas en que puede existir un elemento.
- La regla del Octeto del enlace químico establece que los elementos intentan establecer enlaces entre sí de forma que todos tengan 8 electrones en su capa de valencia.
- Un enlace covalente es un enlace químico que se forma cuando los elementos comparten pares de electrones entre sí.
- Los alótropos del carbono se dividen en dos categorías: carbonos cristalinos y carbonos amorfos.
- Un cristal es un sólido en el que los átomos están dispuestos en un orden repetitivo de alguna estructura básica. Un material con una estructura cristalina se dice que es cristalino.
- Ejemplos de carbonos cristalinos son el diamante, el grafito y el fullereno.
- El diamante es el material más duro que existe en la Tierra. Estructura tetraédrica. Cada átomo de carbono tiene 4 enlaces covalentes. Tiene buena conductividad térmica y mala conductividad eléctrica. Tiene baja reactividad química y alto punto de fusión.
- El grafito tiene láminas de anillos de 6 carbonos unidos sucesivamente. Cada carbono tiene 3 enlaces covalentes y 1 electrón libre no apareado que está deslocalizado en la estructura del grafito. Los electrones deslocalizados hacen que el grafito sea conductor eléctrico y térmico. Tiene un punto de fusión alto y un punto de ebullición alto.
- Los electronesdeslocalizados son electrones que no están asociados a ningún átomo concreto y pueden moverse libremente.
- Los fullerenos son moléculas de carbono que forman estructuras huecas. El Buckminsterfullereno (C60) es una molécula de 60 átomos de Carbono de forma esférica. 20 anillos hexagonales, 12 anillos pentagonales. Los nanotubos de carbono son moléculas cilíndricas largas con 6 an illos de carbono como estructura repetitiva básica. Alta resistencia a la tracción. Conductor de calor y electricidad.
- Los carbonos amorfos son moléculas que no tienen una estructura cristalina, es decir, ningún patrón de repetición de largo alcance a nivel molecular. Algunos ejemplos son el carbón vegetal, el carbón, el hollín, el coque, el carbón gaseoso, el hollín, el negro de lámpara. Tienen aplicaciones en la industria textil, plástica, de envasado de alimentos y sanitaria , entre otras.
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