Carbono

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El carbono es un elemento químico que se clasifica como un no metal. Se conoce desde la antigüedad. Su descubridor y fecha de descubrimiento son desconocidos.

Descubrimiento de Carbono

El carbono se conoce desde la antigüedad en forma de hollín, carbón vegetal, grafito y diamantes. Las culturas antiguas no se dieron cuenta, por supuesto, de que estas sustancias eran formas diferentes del mismo elemento.

El científico francés Antoine Lavoisier nombró al carbono y llevó a cabo una variedad de experimentos para revelar su naturaleza.

En 1772 reunió recursos con otros químicos para comprar un diamante, que colocaron en un frasco de vidrio cerrado. Enfocaron los rayos del sol sobre el diamante con una extraordinaria lupa gigante y vieron cómo el diamante se quemaba y desaparecía. Lavoisier notó que el peso total del frasco no cambió y que cuando se quemó, el diamante se combinó con oxígeno para formar dióxido de carbono. Llegó a la conclusión de que el diamante y el carbón estaban hechos del mismo elemento: carbono.

En 1779, el científico sueco Carl Scheele demostró que el grafito se quemaba para formar dióxido de carbono, por lo que debía ser otra forma de carbono.

En 1796, el químico inglés Smithson Tennant estableció que el diamante era carbono puro y no un compuesto de carbono; se quemó para formar sólo dióxido de carbono. Tennant también demostró que cuando se quemaban pesos iguales de carbón y diamantes, producían la misma cantidad de dióxido de carbono.

En 1855, el químico inglés Benjamin Brodie produjo grafito puro a partir de carbono, demostrando que el grafito era una forma de carbono. Aunque anteriormente se había intentado sin éxito, en 1955 el científico estadounidense Francis Bundy y sus colaboradores de General Electric finalmente demostraron que el grafito podía transformarse en diamante a alta temperatura y alta presión.

En 1985, Robert Curl, Harry Kroto y Richard Smalley descubrieron los fullerenos, una nueva forma de carbono en la que los átomos están dispuestos en forma de pelota de fútbol. El fullereno más conocido es el buckminsterfullereno, también conocido como C60, que consta de 60 átomos de carbono. Existe una gran familia de fullerenos, comenzando en C20 y llegando hasta C540.

El alótropo de carbono descubierto más recientemente es el grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos. Si estas capas se apilaran unas sobre otras, el resultado sería el grafito. El grafeno tiene un espesor de un solo átomo.

El descubrimiento del grafeno fue anunciado en 2004 por Kostya Novoselov y Andre Geim, quienes usaron cinta adhesiva para separar una sola capa de átomos del grafito para producir el nuevo alótropo.

Datos interesantes sobre el carbono

Alrededor del 20% del peso de los organismos vivos es carbono.
Se conocen más compuestos que contienen carbono que los que no.
El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo.
A pesar de su gran abundancia, debemos la existencia de carbono a un conjunto poco probable de circunstancias.
El diamante es un abrasivo excelente porque es el material común más duro y también tiene la conductividad térmica más alta. Puede triturar cualquier sustancia, mientras que el calor generado por la fricción se disipa rápidamente.
Los átomos de carbono en su cuerpo alguna vez fueron parte de la fracción de dióxido de carbono de la atmósfera.
El grafeno es el material más delgado y fuerte jamás conocido.
El grafeno está hecho de cristales atómicos bidimensionales, la primera vez que se ven tales estructuras.
El grafito en un lápiz mecánico típico tiene un diámetro de 0,7 mm. Esto es igual a 2 millones de capas de grafeno.
Los neumáticos de los automóviles son negros porque tienen alrededor de un 30 % de negro de carbón, que se agrega al caucho para fortalecerlo. El negro del carbón también ayuda a proteger los neumáticos contra los rayos UV.
El carbono se produce dentro de las estrellas cuando queman helio en reacciones de fusión nuclear. El carbono es parte de la ‘ceniza’ formada por la quema de helio.
El carbono sufre reacciones de fusión nuclear en estrellas pesadas para producir neón, magnesio y oxígeno.

Buckministerfullerenos en el espacio, alótropo del carbono. — El Telescopio Espacial Infrarrojo *Spitzer* de la NASA ha identificado buckminsterfullereno (buckyballs) con una masa equivalente a 15 de nuestras lunas en la galaxia enana de la Pequeña Nube de Magallanes. Imagen de NASA/JPL-Caltech.

Helio atrapado en buckyball — Se han encontrado átomos de gases nobles extraterrestres helio-3 y argón-36 atrapados dentro de buckyballs en la Tierra. Las buckyballs llegaron en cometas o asteroides y han sido descubiertas en rocas asociadas con la extinción masiva del Pérmico-Triásico hace 250 millones de años. Imagen Don Davis y Hajv01.

Apariencia y Características

Efectos nocivos:

El carbón puro tiene una toxicidad muy baja. La inhalación de grandes cantidades de polvo de negro de carbón (hollín/polvo de carbón) puede causar irritación y daño a los pulmones.

Características:

Puede existir con varias estructuras tridimensionales diferentes en las que sus átomos están dispuestos de manera diferente (alótropos).
Tres alótropos cristalinos comunes son el grafito, el diamante y (normalmente) los fullerenos. El grafeno tiene una estructura cristalina 2D. (Los fullerenos a veces pueden existir en forma amorfa).
El carbono también puede existir en un estado amorfo. Sin embargo, muchos alótropos comúnmente descritos como amorfos, como el carbón vítreo, el hollín o el negro de carbón, generalmente tienen suficiente estructura para no ser verdaderamente amorfos. Aunque se han observado nanotubos cristalinos, generalmente son amorfos.
Las estructuras de ocho alótropos se muestran en la parte inferior de esta página.
Curiosamente, el grafito es una de las sustancias más blandas y, hasta hace poco, se pensaba que el diamante era la sustancia natural más dura.
Se ha calculado que un alótropo de carbono extremadamente raro, la lonsdaleita, en forma pura, es un 58 % más fuerte que el diamante. La lonsdaleita es una red de carbono similar a un diamante que tiene la estructura hexagonal del grafito. Se produce cuando meteoritos que contienen grafito golpean otro cuerpo, como la Tierra. Las altas temperaturas y presiones del impacto transforman el grafito en lonsdaleita.
El carbono tiene el punto de fusión/sublimación más alto de todos los elementos y, en forma de diamante, tiene la conductividad térmica más alta de todos los elementos.
La alta conductividad térmica del diamante es el origen del término argot ‘hielo’. A temperaturas ambiente típicas, la temperatura de su cuerpo es más alta que la de la habitación, incluidos los diamantes grandes que pueda tener por ahí. Si toca cualquiera de estos diamantes, su alta conductividad térmica aleja el calor de su piel más rápido que cualquier otro material. Tu cerebro interpreta esta rápida transferencia de energía térmica lejos de tu piel como si estuvieras tocando algo muy frío, por lo que los diamantes a temperatura ambiente pueden sentirse como hielo.

Usos del Carbono

El carbono (en forma de carbón) se utiliza como combustible.
El grafito se usa para puntas de lápiz, crisoles de alta temperatura, celdas secas, electrodos y como lubricante.
Los diamantes se usan en joyería y, debido a que son muy duros, en la industria para cortar, taladrar, esmerilar y pulir.
El negro del carbón se utiliza como pigmento negro en la tinta de impresión.
El carbono puede formar aleaciones con el hierro, de las cuales la más común es el acero al carbono.
El isótopo radiactivo ¹⁴C se utiliza en la datación arqueológica.
Los compuestos de carbono son importantes en muchas áreas de la industria química: el carbono forma una gran cantidad de compuestos con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos.

Abundancia e isótopos

Abundancia en la corteza terrestre: 200 partes por millón en peso, 344 partes por millón en moles

En el sistema solar: 3000 partes por millón en peso, 300 partes por millón en moles

Coste de producción puro: 2,4 por 100g

Fuente: El carbono se puede obtener quemando compuestos orgánicos con oxígeno insuficiente. Los cuatro alótropos principales del carbono son el grafito, el diamante, el carbono amorfo y los fullerenos. Los diamantes naturales se encuentran en la kimberlita de antiguos volcanes. El grafito también se puede encontrar en depósitos naturales. Los fullerenos se descubrieron como subproductos de experimentos con haces moleculares en la década de 1980.

El carbón amorfo es el componente principal del carbón vegetal, el hollín (negro de carbón) y el carbón activado.

Isótopos: 13 cuyas vidas medias son conocidas, con números de masa de 8 a 20. El carbono natural es una mezcla de dos isótopos y se encuentran en los porcentajes que se muestran: ¹²C (99%) y ¹³C (1%).

El isótopo ¹⁴C, con una vida media de 5730 años, es muy utilizado para fechar materiales carbonosos como madera, especímenes arqueológicos, etc. para edades de hasta unos 40 000 años.

Símbolo	C
Número atómico	6
Valencias	+4 y +2
Peso atómico	12,01
Punto de ebullición (ºC)	Grafito :+4827
Punto de fusión (ºC)	Diamante: +3 823 070 Grafito: +3527
Densidad (Kg/m3)	2267
Estructura atómica	[He] 2s²2p²

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