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¿Qué tienen en común todas estas formas de vida? Todas están hechas de carbono. En este artículo, recorreremos las distintas propiedades del carbono y veremos por qué es uno de los elementos, si no el más importante, de la tabla periódica.
- Este artículo trata sobre las propiedades del carbono .
- En primer lugar, veremos por qué el carbono es tan importante.
- A continuación, veremos las propiedades físicas del carbono.
- A continuación, veremos su Estructura Atómica, para que podamos comprender sus propiedades químicas en el siguiente apartado.
- Por último, hablaremos de los múltiples usos del carbono.
Finalidad del carbono
Debido a las propiedades del carbono, es un componente básico de la vida. Todos los seres vivos están formados por carbono. Todo el campo de la química orgánica está dedicado al carbono, ¡es un elemento importante!
Ahora que ya he hablado suficientemente del carbono, veamos sus propiedades, ¿te parece?
Propiedades físicas del carbono
El carbono tiene un punto de fusión de 3.652 °C y un punto de ebullición de 4.827 °C, por lo que casi siempre se presenta como sólido. Es blando y de color gris opaco o negro. Algunas de sus propiedades físicas dependen del alótropo.
Un alótropo es una versión de un elemento con una estructura física diferente. El enlace de los átomos dentro de la molécula difiere, lo que da lugar a propiedades físicas diferentes.
Dos de los alótropos del carbono más comunes son el grafito y el diamante.
El grafito es blando, ligero y buen conductor del calor y la electricidad. Tiene una densidad de 2,26 g/cm3. El diamante, en cambio, es duro, fuerte y mal conductor de la electricidad (pero buen conductor del calor). Su densidad es de 3,51 g/cm3.
No sólo son diferentes físicamente, sino también químicamente. El grafito puede reaccionar violentamente con agentes oxidantes fuertes como el flúor, y el polvo y el aire del grafito son explosivos cuando se inflaman. El diamante no reacciona en absoluto a temperatura ambiente, pero puede incendiarse en torno a los 690 °C si se pone en un entorno de oxígeno puro.
Estas diferencias dependen de la disposición de los átomos de carbono. A continuación se muestra una comparación entre ambas estructuras:
Fig. 1: Comparación de las estructuras del diamante y el grafito. Wikimedia commons.
Los átomos del diamante están dispuestos en una red hexagonal y tienen una estructura cristalina. Los átomos del grafito también están dispuestos hexagonalmente, pero en láminas planas, por lo que es mucho más débil.
Los distintos alótropos hacen del carbono un "comodín". Aunque estos dos son los más comunes, hay muchos más. Aquí tienes una tabla con algunos alótropos más del carbono:
| Nombre | Propiedades notables |
| Lonsdaleíta (diamante hexagonal) | Es un "intermedio" entre el grafito y el carbono. Tiene la red hexagonal del grafito, pero su densidad es mucho más parecida a la del diamante. |
| Diameno | Una forma 2D del diamante |
| Carbono amorfo | No tiene estructura cristalina |
| Fullereno (buckyballs) | Son moléculas curvadas que pueden tener forma de esfera hueca, elipsoide o tubo. |
| Carbono vítreo | Utilizado habitualmente como material de electrodos |
| Nanoespuma de carbono | Racimo de átomos de carbono de baja densidad |
Varios de estos alótropos (como la diamina), sólo existen en determinadas condiciones, como en entornos de alta presión.
Estructura atómica del carbono
Para ayudarnos a comprender las propiedades químicas del carbono, debemos fijarnos primero en su Estructura Atómica.
La entrada del carbono en la tabla periódica nos dice lo básico sobre su estructura:
Fig. 2: Entrada del carbono en la tabla periódica
Observando el número atómico, sabemos que el carbono tiene 6 protones. El carbono tiene un peso atómico de 12,01 amu (unidades de masa atómica), y su isótopo más común tiene 6 neutrones.
Los isótopos son formas diferentes de un elemento que tienen distinto número de neutrones.
Por ejemplo, el carbono-14 es un isótopo del carbono que tiene 8 neutrones. También es el isótopo utilizado en la datación por carbono.
He aquí la estructura atómica del carbono:
Fig. 3: Estructura atómica del carbono neutro. Wikimedia commons.
El carbono tiene dos electrones centrales y cuatro electrones de valencia .
Los electrones devalencia son los electrones situados en el anillo más externo/el nivel de energía más alto. Estos electrones se utilizan en los enlaces.
Los cuatro electrones de valencia del carbono son una de las principales razones de su importancia, a la que llegaremos en el siguiente apartado.
Propiedades químicas del carbono
Como el carbono tiene cuatro electrones de valencia, puede formar 4 enlaces covalentes.
En unenlace covalente , los electrones se comparten entre los dos elementos.
El carbono es increíblemente versátil. Puede realizar 4 tipos de reacciones:
1. 1. Combustión: El carbono se combina con el oxígeno para producir energía calorífica
$$CH_4+2O_2 flecha derecha CO_2 + 2H_2O$$
2. 2. Oxidación: El oxígeno se añade al carbono
$$CH_3CH_2OH + O \rightarrow CH_3CHO + H_2O$$
3. Adición: Un elemento/compuesto se añade a otro elemento/compuesto
$$HCCH + HI \rightarrow H_2CCHI$$
4. Sustitución: Un elemento/compuesto se sustituye por otro elemento/compuesto
$$CH_3Cl + OH \ flecha derecha Cl^- + CH_3OH$$
Debido a estas reacciones, el carbono puede formar muchos compuestos. El tipo más común de compuesto de carbono es un hidrocarburo.Un hidrocarburo es un compuesto que contiene carbono e hidrógeno.
Actualmente conocemos aproximadamente 1 millón de compuestos de hidrocarburos, ¡y este número aumenta cada año! Aunque el carbono puede formar una serie de moléculas inorgánicas (no C-H), hay muchas menos. En total, el carbono forma más compuestos que todos los demás elementos juntos. ¡Eso son muchos compuestos!
El carbono también puede formar largas y robustas cadenas C-C. De hecho, ¡la mayor cadena registrada tenía 6.000 carbonos de longitud!Usos del carbono
El carbono tiene muchos usos. He aquí sólo una pequeña parte de sus usos:
- Se utiliza en los combustibles fósiles (hidrocarburos).
- Se utiliza en lápices (grafito).
- Se utiliza en joyería (diamante).
- Respirado por las plantas y convertido en oxígeno (fotosíntesis) (CO2).
- Se utiliza en materiales de alta resistencia a la tracción (fullereno/buckyball).
- El 12% del cuerpo humano (carbono elemental).
Hay muchos más usos, pero estos te dan una buena idea de lo extendido que está el carbono. ¡Por algo lo llaman el componente básico de la vida!
El ciclo del carbono es un resumen de cómo se transfiere el carbono.
Fig. 4: Diagrama del ciclo del carbono. Wikimedia commons.
Procesos como la quema de combustibles fósiles y el uso de la tierra, bombean carbono a la atmósfera. La descomposición de la vida orgánica también libera carbono, que es absorbido por el suelo. Procesos como la fotosíntesis y el intercambio gaseoso mar-superficie absorben carbono. El océano es una importante reserva de carbono y contiene 50 veces más carbono que nuestra atmósfera.
Carbono - Puntos clave
- Un alótropo es una versión de un elemento con una estructura física diferente. El enlace de los átomos dentro de la molécula difiere, lo que da lugar a propiedades físicas diferentes.
- Los alótropos más comunes del carbono son el grafito y el diamante.
- El carbono tiene 6 protones, (normalmente) 6 neutrones y 6 electrones.
- Los isótopos son formas diferentes de un elemento que tienen distinto número de neutrones.
- Los electrones de valencia son los electrones del anillo más externo/del nivel de energía más alto. Estos electrones se utilizan en los enlaces.
- En un enlace covalente , los electrones se comparten entre los dos elementos.
- El carbono tiene 4 electrones de valencia, por lo que puede formar cuatro enlaces covalentes.
- El carbono es muy versátil y puede formar largas y robustas cadenas C-C.
- Un hidrocarburo es un compuesto que contiene carbono e hidrógeno.
- El carbono tiene muchos usos, como combustible, fotosíntesis y formación de vida orgánica.
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