¿Qué tienen en común los anillos de diamantes, los lápices de dibujo, las camisetas de algodón y las bebidas energéticas? Todos están hechos principalmente de carbono. El carbono es uno de los elementos fundamentales de la vida. Por ejemplo, constituye el 18,5% de la masa del cuerpo humano; por eso es un constituyente esencial de las células musculares, el torrente sanguíneo y las vainas conductoras que rodean nuestras neuronas, entre otros. Estos compuestos suelen estar formados por carbono unido a otros elementos, como el hidrógeno, y el oxígeno.
Podrás explorar estas interacciones más a fondo en Química orgánica.
Sin embargo, también podemos encontrar estructuras hechas únicamente de carbono, puesto que este elemento tiene una gran capacidad para formar enlaces con otros átomos de carbono, o enlaces C-C (ya sean simples, dobles o triples y dispuestos en cadenas lineales ramificadas o cíclicas —anillos—). De este modo, en función de las condiciones en las que se arman, existen diferentes formas moleculares en las que podemos encontrar las estructuras de carbono que hay la naturaleza o las síntetizadas artificialmente.
Las estructuras de carbono son moléculas formadas exclusivamente por átomos de carbono.
Los diferentes arreglos o disposiciones en que podemos encontrar en las moléculas formadas solamente por carbono se conocen como alótropos del carbono.
Los alótropos son las diferentes estructuras moleculares en las que se puede presentar un mismo elemento.
Aunque los alótropos pueden compartir la misma composición química, tienen estructuras y propiedades muy diferentes, que veremos en a continuación. Pero, por ahora, veamos la forma en la que el carbono forma enlaces.
Propiedades del carbono
El carbono es el elemento primordial de la química orgánica, forma parte de todos los seres vivos conocido y constituye al rededor del 0.03% de la corteza terrestre. Hasta la fecha, se conocen más de 15 millones de compuestos que carbono.
Es un elemento no metal, con un número atómico de 6, lo que significa que tiene seis protones y seis electrones. Tiene la configuración electrónica 1s22s22p2.
Si no estás seguro de lo que esto significa, consulta Configuración electrónicas de los átomos, para obtener más información.
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Fig. 1: El carbono tiene el número atómico 6 y el número de masa 12, con 4 cifras significativas.
Omitiendo las subcapas, podemos ver en la siguiente imagen que el carbono tiene cuatro electrones en su capa externa, también conocida como capa de valencia:
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Fig. 2: Las capas de electrones del carbono.
Contiene cuatro electrones de valencia.
Esto significa que el carbono puede formar hasta cuatro enlaces covalentes con otros átomos. Sabrás que el enlace covalente es un par de electrones compartido. De hecho, el carbono rara vez se encuentra con algo más que cuatro enlaces, porque formar cuatro enlaces covalentes significa que tiene ocho electrones de valencia. Esto le da la configuración de electrones de un gas noble con una capa externa completa, que es una disposición estable.
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Fig. 3: Las capas de electrones del carbono.
Aquí se muestra unido a cuatro átomos de hidrógeno para formar el metano.
Cada enlace covalente contiene un electrón del átomo de carbono y uno del átomo de hidrógeno.
Ahora tiene una capa de valencia completa de electrones.
Estos cuatro enlaces covalentes pueden darse entre el carbono y casi cualquier otro elemento, ya sea otro átomo de carbono, un grupo hidroxilo (-OH) o el nitrógeno. Sin embargo, en este artículo nos ocupamos de las distintas estructuras que forma cuando se enlaza con otros átomos de carbono para formar diferentes alótropos. Nos referimos a todos estos alótropos diferentes como estructuras de carbono. Entre ellas están el diamante, el grafito, el grafeno y los fullerenos.
Enlaces carbono-carbono
Cuando dos átomos de carbono forman un enlace covalente, se constituye un enlace carbono-carbono. Encontramos estos enlaces en los alótropos del carbono y en los compuestos orgánicos. Comúnmente son enlaces simples que, en el caso de los compuestos orgánicos, forman alcanos; pero, también puede ser enlaces dobles o triples, que dan lugar a alquenos y alquinos, respectivamente.
Debido a la fuerza intermolecular y la estabilidad de los enlaces carbono-carbono, estos tienen la capacidad de formar cadenas largas y estables. A este proceso se le denomina catenación y es el responsable de que puedan existir los alótropos del carbono, así como la gran variedad de estructuras orgánicas que son la base de la vida en la tierra.
De acuerdo con el número de enlaces C-C que establece un átomo de carbono, podemos distinguir:
- Carbono primario: Está unido a un carbono
- Carbono secundario: Está unido a dos carbonos
- Carbono terciario: Está unido a tres carbonos
- Carbono cuaternario: Está unido a cuatro carbonos
Alótropos del carbono
Los diamantes
Una macromolécula es una molécula muy grande formada por cientos de átomos unidos covalentemente.
El diamante es una macromolécula hecha completamente de carbono. En el diamante, cada átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes simples con los demás átomos de carbono que lo rodean, lo que da lugar a una red gigante que se estira en todas las direcciones. Es preciso resaltar que:
- Una red es una disposición regular y repetida de átomos, iones o moléculas.
- En este contexto, gigante significa que contiene un número grande pero indeterminado de átomos.
Fig. 5: Una representación de la estructura reticular del diamante.
En realidad, la red es extremadamente grande y se extiende en todas las direcciones.
Cada átomo de carbono está unido a otros cuatro carbonos mediante enlaces covalentes simples.
Las propiedades del diamante
Debes recordar que los enlaces covalentes son extremadamente fuertes. Por ello, el diamante tiene ciertas propiedades:
- Elevados puntos de fusión y ebullición: Esto se debe a que los enlaces covalentes requieren mucha energía para superarlos y, por ello, el diamante es sólido a temperatura ambiente.
- Duro y fuerte: debido a la fuerza de sus enlaces covalentes.
- Insoluble: en agua y disolventes orgánicos.
- No conduce la electricidad: Esto se debe a que no hay partículas cargadas libres para moverse dentro de la estructura.
El grafito
Los alótropos son moléculas formadas por átomos del mismo elementos, pero con distinta estructura.
El grafito también es un alótropo del carbono; como el diamante, está formado solo por átomos de carbono. Sin embargo, cada átomo de carbono del grafito forma solo tres enlaces covalentes con otros átomos de carbono. Esto crea una disposición planar trigonal, como predice la teoría de la repulsión de pares de electrones. El ángulo entre cada enlace es 120º.
Los átomos de carbono forman una capa hexagonal 2D, casi como una hoja de papel. Cuando se apilan, no hay enlaces covalentes entre las capas, simplemente fuerzas intermoleculares débiles. Sin embargo, a cada átomo de carbono le queda un electrón. Este electrón se desplaza a una región por encima y por debajo del átomo de carbono, fusionándose con los electrones de los otros átomos de carbono de la misma capa.
Como todos estos electrones pueden moverse en cualquier parte de esta región, aunque no pueden moverse entre capas, ecimos que los electrones están deslocalizados. Es muy parecido al mar de deslocalización en un metal.
Para más información acerca del mar de electrones deslocalizados en un metal, dirígete a Enlace metálico.
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Fig. 6. El grafito.
Las capas planas se apilan unas sobre otras y se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles,
representadas por las líneas discontinuas.
Fig. 7: El ángulo entre cada uno de los enlaces en el grafito es de 120°.
Las propiedades del grafito
La estructura única del grafito le confiere unas características físicas diferentes a las del diamante. Entre sus propiedades se encuentran:
- Es blando y escamoso: Aunque los enlaces covalentes entre los átomos de carbono son muy fuertes, las fuerzas intermoleculares entre las capas son débiles y no requieren mucha energía para superarlas. Por tanto, es muy fácil que las capas se deslicen entre sí y se desprendan; por eso el grafito se utiliza como mina en los lápices.
- Tiene puntos de fusión y ebullición elevados: Esto se debe a que cada átomo de carbono sigue unido a otros tres átomos de carbono con fuertes enlaces covalentes, como en el diamante.
- Es insoluble en agua: como el diamante.
- Es un buen conductor de la electricidad: Los electrones deslocalizados son libres de moverse entre las capas de la estructura y llevar una carga.
El grafeno
Una sola hoja de grafito se llama grafeno. Es el material más fino jamás aislado: solo tiene un átomo de grosor. El grafeno tiene propiedades similares a las del grafito, ya que es una lámina de grafito. Por ejemplo, es un gran conductor de la electricidad. Sin embargo, también es de baja densidad, flexible y extremadamente fuerte para su masa.
En el futuro podrías encontrar ropa hecha de grafeno incrustado: dota de propiedades conductoras que, entre otras, optimizan la termoreculación y protegen de las picaduras de mosquitos. Actualmente, lo utilizamos para la administración de fármacos y para los paneles solares.
Los fullerenos son un alótropo de carbono con la misma estructura que el grafeno, pero forman una red circular.
Comparación entre el diamante y el grafito
Aunque el diamante y el grafito tienen muchas similitudes, también tienen sus diferencias. La siguiente tabla resume esta información:
| Nombre | Diamante | Grafito |
| Compuesto por | Carbono | Carbono |
| Estructura | Red de átomos de carbono unidos por cuatro enlaces covalentes. | Láminas de átomos de carbono unidos por tres enlaces covalentes. Hay electrones deslocalizados entre las láminas. |
| Ángulo de enlaces | 109º | 120º |
| Puntos de fusión y ebullición | Alto | Alto |
| Fuerza | Duro | Blando |
| Solubilidad | Insoluble | Insoluble |
| Conductividad | Mal conductor de electricidad | Buen conductor de electricidad |
Tabla 1. Comparación entre el diamante y el grafito.
Como se ha visto, solo los compuestos que contienen el carbono y el hidrógeno se consideran orgánicos. Por esto, tanto el diamante como el grafito se consideran moléculas inorgánicas.
Otro ejemplo es el dióxido de carbono, que tiene dos dobles enlaces entre el carbono y oxígeno. A diferencia del diamante y el grafito, al no formar una red, es un gas a temperatura ambiente y hace parte de los gases de efecto invernadero, ya que los enlaces C-O pueden absorber radiación solar.
Fig. 9: Estructura de Lewis del dióxido de carbono,
La estructura de Lewis te permite ver los electrones de la capa de valencia de los átomos de un compuesto. Se representan los electrones de un compuesto con puntos y los otros con x, para poder diferenciarlos. Para más información, dirígete al artículo Enlace covalente.
Estructuras de carbono - Puntos clave
- Los átomos de carbono pueden formar cuatro enlaces covalentes, cada uno. Esto significa que pueden formar múltiples estructuras diferentes.
- Los alótropos son formas diferentes de un mismo elemento.
- Los alótropos del carbono son el diamante y el grafito.
- El diamante está formado por un entramado gigante de átomos de carbono unidos entre sí por cuatro enlaces covalentes. Es duro y fuerte, con un punto de fusión elevado.
- El grafito contiene láminas de átomos de carbono unidos por tres enlaces covalentes. Los electrones sobrantes están deslocalizados por encima y por debajo de cada lámina de carbono, lo que hace que el grafito sea suave, escamoso y buen conductor de la electricidad.
References
- Fig. 1. Carbono (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon.svg) by Albedo-ukr (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Albedo-ukr) is licensed by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/deed.en).
- Fig. 2: Electrones del carbono (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electron_shell_006_Carbon_-_no_label.svg) by DePiep (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:DePiep) is licensed by CC BY-SA 2.0 UK (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en).
- Fig. 6: Grafito (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Graphite-c.jpg?uselang=es) by Persia (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Persia) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.es).
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