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Estructuras de carbono

Estructuras de carbono

¿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, siendo un constituyente escencial 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, interacciones que podràs explorarás 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 forman, existen diferentes formas moleculares en las que podemos encontrar las estructuras de carbono, las cuales pueden encontrarse en la naturaleza o ser 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 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.

Estructuras del carbono, carbono, StudySmarter

Figura 1. El carbono tiene el número atómico 6 y el número de masa 12, con 4 cifras significativas.

Fuente: commons.wikimedia.org

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.

Estructuras del carbono, capas de electrones del carbono, StudySmarter

Figura 2. Las capas de electrones del carbono. Contiene cuatro electrones de valencia.

Fuente: commons.wikimedia.org

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.

Estructuras del carbono, punto y cruz del metano, StudySmarter

Figura 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. Funete: commons.wikimedia.org

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. Estos enlaces los encontramos en los alótropos del carbono y en los compuestos orgánicos. Comunmente 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 yla estabilidad de los enlaces carbono-carbono, estos tienen la capacidad de formar cadenas largas y estables, proceso al que se le denomina catenación y que 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 al 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

El diamante es una macromolécula hecha completamente de carbono.

Una macromolécula es una molécula muy grande formada por cientos de átomos unidos covalentemente.

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 átomo

Estructuras de carbono, entramado de diamantes de carbono, StudySmarter

Figura 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. Fuente: commons.wikimedia.org

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

El grafito también es un alótropo del carbono. Recuerda que los alótropos son moléculas formadas por átomos del mismo elementos, pero con distinta estructura. El grafito, 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. Todos estos electrones pueden moverse en cualquier parte de esta región, aunque no pueden moverse entre capas. Decimos 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".

Estructuras del carbono, estructura del grafito, StudySmarter

Figura 6. El grafito. Las capas planas se apilan unas sobre otras y se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles, representadas por las líneas discontinuas. Fuente: commons.wikimedia.org

Estructuras del carbono, ángulo de enlace del grafito, StudySmarter

Figura 7. El ángulo entre cada uno de los enlaces en el grafito es de 120°. Fuente: StudySmarter Originals

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, y 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 en tu ropa, que la dotan de propiedades conductoras que, entre otras, optimizan la termoreculación y protegen de las picaduras de mosuitos. Actualmente, lo utilizamos para la administración de fármacos y para los paneles solares. Los fullerenos sonun 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.

NombreDiamanteGrafito
Compuesto porCarbonoCarbono
EstructuraRed de átomos de carbono unidos por cuatro enlaces covalentesLáminas de átomos de carbono unidos por tres enlaces covalentes. Hay electrones deslocalizados entre las láminas
Ángulo de enlaces109º120º
Puntos de fusión y ebulliciónAltoAlto
FuerzaDuroBlando
SolubilidadInsolubleInsoluble
ConductividadMal conductor de electricidadBuen conductor de electricidad

Tabla 1. Comparación entre el diamante y el grafito. Fuente: StudySmarter Originals

Como se ha visto, solo los compuestos que contienen el carbono y el hidrógeno se consideran orgánicos. Por lo que tanto el diamante como el grafito se consideran moléculas inorgánicas. Otro ejemplo es el dióxido de carbono. En este caso 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.

Dióxido de carbono, estructuras de carbono, StudySmarterFigura 9. Estructura de Lewis del dióxido de carbono, Fuente: Wikipedia

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.

Preguntas frecuentes sobre Estructuras de carbono

Permiten formar cadenas largas y estables, proceso al que se le denomina catenación y que 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.

El grafito es un alótropo del carbono, donde cada átomo de forma solo tres enlaces covalentes con otros átomos de carbono. Esto crea una disposición planar trigonal con ángulos entre cada enlace es 120º.

Entre sus propiedades se encuentran:


  • Es blando y escamoso.
  • Tiene puntos de fusión y ebullición elevados.
  • Es insoluble en agua.
  • Es un buen conductor de la electricidad

Las formas alotrópicas son las diferentes estructuras moleculares en las que se puede presentar un mismo elemento. En el caso del carbono, algunos alótropos son el diamante, el grafito, el grafeno y los fullerenos.

El diamante tiene una estructura tetraédrica debido a que cada átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes simples con los demás átomos de carbono que lo rodean, mientras que el grafito tiene una estructura planar trigonal ya que cada átomo de carbono del grafito forma solo tres enlaces covalentes con otros átomos de carbono.

Ambos son alótropos de carbono. El diamante forma una red mientras que el grafito forma láminas, cada una de las cuales se denomina grafeno.

Cuestionario final de Estructuras de carbono

Pregunta

Indique la configuración electrónica del carbono.

Mostrar respuesta

Answer

1s2 2s2 2p4

Show question

Pregunta

¿Qué es un alótropo?

Mostrar respuesta

Answer

Una de las dos o más formas de un mismo elemento.

Show question

Pregunta

Indique el número máximo de enlaces que puede formar un átomo de carbono.

Mostrar respuesta

Answer

4

Show question

Pregunta

Defina macromolécula.

Mostrar respuesta

Answer

Una gran molécula formada por cientos de átomos unidos covalentemente.

Show question

Pregunta

Definir red

Mostrar respuesta

Answer

Disposición regular y repetida de átomos, iones o moléculas.

Show question

Pregunta

Describa la estructura de una macromolécula de diamante.

Mostrar respuesta

Answer

Formada por átomos de carbono.En un red gigante. Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro átomos de carbono.

Show question

Pregunta

Indique la fórmula molecular del diamante.

Mostrar respuesta

Answer

C

Show question

Pregunta

Explica por qué el diamante tiene altos puntos de fusión y ebullición.

Mostrar respuesta

Answer

El diamante contiene átomos de carbono unidos por fuertes enlaces covalentes. Éstos requieren mucha energía para ser superados.

Show question

Pregunta

El diamante es un ejemplo de estructura covalente gigante. ¿Qué significa la palabra gigante en este contexto?

Mostrar respuesta

Answer

Contiene un número grande pero indeterminado de átomos.

Show question

Pregunta

Describe la estructura del grafito.

Mostrar respuesta

Answer

Está formado por láminas planas de átomos de carbono. Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros tres carbonos.

Show question

Pregunta

¿Cuántos enlaces covalentes forma cada átomo de carbono en el grafito?

Mostrar respuesta

Answer

3

Show question

Pregunta

El grafito es un buen conductor de la electricidad.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

El grafito forma láminas planas. 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

Indica dos usos del diamante.

Mostrar respuesta

Answer

Taladros y Joyería

Show question

Pregunta

Indique algunos usos del grafito.

Mostrar respuesta

Answer

Lápices, lubricantes y electrodos

Show question

Pregunta

El grafito es más duro que el diamante. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso

Show question

Pregunta

El diamante y el grafito son alótropos del carbono. El grafito se utiliza habitualmente como electrodo. ¿Por qué no se utiliza el diamante de esta manera?

Mostrar respuesta

Answer

El grafito es adecuado para este uso porque contiene electrones deslocalizados que son capaces de transportar una carga, por lo que puede conducir la electricidad, mientras que el diamante no puede conducir la electricidad porque no contiene ninguna partícula en movimiento libre que sea capaz de transportar una carga, todos sus electrones están enlazados.

Show question

Pregunta

Indique la configuración electrónica del carbono.

Mostrar respuesta

Answer

1s2 2s2 2p4

Show question

Pregunta

Indique el número máximo de enlaces que puede formar un átomo de carbono.

Mostrar respuesta

Answer

4

Show question

Pregunta

Definir red

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Answer

Disposición regular y repetida de átomos, iones o moléculas.

Show question

Pregunta

Describa la estructura de una macromolécula de diamante.

Mostrar respuesta

Answer

Formada por átomos de carbono.En un red gigante. Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro átomos de carbono.

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Pregunta

Indique la fórmula molecular del diamante.

Mostrar respuesta

Answer

C

Show question

Pregunta

Explica por qué el diamante tiene altos puntos de fusión y ebullición.

Mostrar respuesta

Answer

El diamante contiene átomos de carbono unidos por fuertes enlaces covalentes. Éstos requieren mucha energía para ser superados.

Show question

Pregunta

El diamante es un ejemplo de estructura covalente gigante. ¿Qué significa la palabra gigante en este contexto?

Mostrar respuesta

Answer

Contiene un número grande pero indeterminado de átomos.

Show question

Pregunta

Describe la estructura del grafito.

Mostrar respuesta

Answer

Está formado por láminas planas de átomos de carbono. Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros tres carbonos.

Show question

Pregunta

¿Cuántos enlaces covalentes forma cada átomo de carbono en el grafito?

Mostrar respuesta

Answer

3

Show question

Pregunta

El grafito es un buen conductor de la electricidad. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

True

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Pregunta

El grafito forma láminas planas. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

True

Show question

Pregunta

Indica dos usos del diamante.

Mostrar respuesta

Answer

Taladros y Joyería

Show question

Pregunta

Indique algunos usos del grafito.

Mostrar respuesta

Answer

Lápices, lubricantes y electrodos

Show question

Pregunta

El grafito es más duro que el diamante. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso

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Pregunta

El diamante y el grafito son alótropos del carbono. El grafito se utiliza habitualmente como electrodo. ¿Por qué no se utiliza el diamante de esta manera?

Mostrar respuesta

Answer

El grafito es adecuado para este uso porque contiene electrones deslocalizados que son capaces de transportar una carga, por lo que puede conducir la electricidad, mientras que el diamante no puede conducir la electricidad porque no contiene ninguna partícula en movimiento libre que sea capaz de transportar una carga, todos sus electrones están enlazados.

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