El carbono es un elemento no metálico con un símbolo químico de C. Es el cuarto elemento más abundante del universo y el decimoquinto elemento más abundante de la corteza terrestre. También es el segundo elemento más abundante en humanos después del oxígeno. Su composición química conduce a varias propiedades únicas del carbono.
El carbono pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. Su número atómico es 6 y tiene un peso atómico de 12.011. Los estados de oxidación del carbono pueden variar de -4 a +4, donde +4 existe en compuestos como el metano y el disulfuro de carbono, y +2 para el monóxido de carbono.
Las propiedades físicas de los diferentes alótropos de carbono los hacen útiles en baterías, electrónica y nanomateriales. El carbono es también el "rey de los elementos", formando casi 10 millones de compuestos hasta la fecha, incluidos compuestos orgánicos, inorgánicos y organometálicos.
Los isótopos de carbono se utilizan ampliamente para la datación por radiocarbono (carbono-14), la estructura molecular y la investigación médica (carbono-13). Además, las fibras de carbono muestran excelentes propiedades mecánicas y son populares en la ingeniería aeroespacial y civil.
Alótropos del carbono
El carbono tiene diferentes formas alotrópicas, con diversas configuraciones moleculares y estructuras atómicas. Las propiedades físicas del carbono varían mucho con cada alótropo. Algunos de los alótropos de carbono más conocidos son el grafito, el diamante y los fullerenos.
El grafito es uno de los materiales más blandos conocidos y se utiliza en lápices y como lubricante sólido. También es un buen conductor de electricidad, por lo que es útil en baterías y paneles solares.
El grafeno es simplemente una capa atómica de grafito dispuesta en una celosía alveolar. En una capa de grafeno, cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros tres átomos, dejando el cuarto electrón libre para migrar en el plano, de ahí su conductividad eléctrica.
El diamante, por el contrario, es la sustancia natural más dura y es una de las propiedades únicas del carbono. Tiene casi el doble de densidad que el grafito, y cada átomo de carbono está unido tetraédricamente a otros cuatro sin electrones que fluyan libremente. Por tanto, el diamante es un mal conductor de la electricidad. El diamante también tiene una apariencia clara, a diferencia del grafito, que es opaco.
Los científicos también han sintetizado otros alótropos de carbono, como fullerenos, nanoespuma de carbono y otros. Poseen propiedades especiales y constituyen un área de investigación floreciente en nanomateriales. Los fullerenos son un grupo de moléculas de carbono huecas en una configuración de jaula cerrada (buckyball) o cilindro (nanotubos de carbono).
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La C60 Buckyball fue descubierto por Sir Harold Kroto, Richard Smalley y Robert Curl Jr., usando un láser para vaporizar barras de grafito en una atmósfera de helio. Los átomos de carbono están unidos por enlaces simples y dobles para formar 12 caras pentagonales y 20 hexagonales en forma de balón de fútbol. Sus esfuerzos pioneros les valieron el Premio Nobel en 1996.
Los nanotubos de carbono, que son versiones alargadas de buckyballs, fueron identificados por Iijima Sumio. Son excelentes conductores de calor y electricidad y son útiles para la electrónica.
Los nanotubos de carbono también demuestran una impresionante resistencia a la tracción y tienen aplicaciones interesantes en materiales estructurales y medicina. Sin embargo, la síntesis controlada de tales nanomateriales ha supuesto un gran desafío para los científicos.
Reactividad química del carbono
El carbono forma la base de la vida en la Tierra, y millones de compuestos que contienen carbono constituyen el 18 por ciento de todos los seres vivos. Puede formar enlaces covalentes estables con otros átomos y aparecer como largas cadenas o anillos de fuertes enlaces carbono-carbono interconectados. Estos contribuyen a la diversidad y complejidad de los compuestos de carbono existentes en la Tierra.
Estas compuestos de carbono incluyen moléculas orgánicas como proteínas, carbohidratos y ADN que se encuentran en las células de los organismos vivos, así como compuestos inorgánicos como los óxidos de carbono. El estudio de moléculas orgánicas constituye un campo especializado llamado química orgánica. El carbono también puede formar enlaces covalentes con metales como compuestos organometálicos. La porfirina de hierro, que es el sitio de unión al oxígeno de la hemoglobina, es un ejemplo.
A pesar de su abundancia en la naturaleza, el carbono es relativamente poco reactivo en condiciones normales. A temperatura estándar, no es reactivo con ácidos (ácido sulfúrico o ácido clorhídrico) o álcalis. También es estable a la oxidación a esta temperatura. Sin embargo, a temperaturas más altas, el carbono puede reaccionar con el oxígeno para formar óxidos de carbono (CO2 y CO), con gas azufre para formar disulfuro de carbono y con silicio para formar carburos.
Isótopos de carbono
Hay 15 isótopos conocidos de carbono, de los cuales el carbono-12 (98,93 por ciento del carbono natural) y el carbono-13 (1,07 por ciento) son los dos isótopos estables. El carbono 14 es el isótopo de vida más larga, con una vida media de 5.730 años. El isótopo de carbono de vida más corta es el carbono 8 y tiene una vida media de 1,98739 x 10.−21 segundos.
El isótopo carbono-14 está representado por 146C, donde el pre-superíndice 14 es la masa atómica y el pre-subíndice 6 es el número atómico. El carbono 14 tiene una abundancia natural muy baja (0,0000000001 por ciento), pero su larga vida media lo hace útil para datación radiométrica.
El carbono 14 se forma cuando el nitrógeno 14 reacciona con los neutrones de la radiación cósmica, liberando un protón en este proceso. El carbono-14 luego reacciona con el oxígeno para generar 14CO2, que se distribuye uniformemente en la atmósfera con 12CO2.
147N + 10n> 146C + 11pag
El ciclo del carbono comienza cuando los organismos vivos convierten el dióxido de carbono (14CO2 y 12CO2 de la atmósfera) en compuestos orgánicos por fotosíntesis y lo liberan a la atmósfera por respiración. En este equilibrio, hay una razón fija de 14CO2 y 12CO2 en los organismos. Sin embargo, cuando mueren, el equilibrio se detiene y el carbono 14 sufre una desintegración beta en nitrógeno 14 según su vida media de 5.730 años.
146C> 147N + 0-1mi
La medición de la proporción relativa de carbono-14 en un espécimen muerto permite así calcular el tiempo transcurrido después de su muerte. Este método de datación por radiocarbono se ha utilizado ampliamente para fechar fósiles y especímenes arqueológicos de 500 a 50.000 años de antigüedad.
El carbono 13 es otro isótopo que se usa ampliamente en muchas aplicaciones. Por ejemplo, se utiliza en resonancia magnética nuclear (RMN) para determinar estructuras moleculares de compuestos orgánicos. También se utiliza como herramienta de etiquetado en combinación con un espectrómetro de masas para la investigación médica.
Propiedades mecánicas de las fibras de carbono
El carbono también exhibe propiedades mecánicas útiles, además de sus propiedades físicas, químicas y nucleares.
Puede formar aleaciones con acero en acero al carbono, cuyo contenido de carbono varía de 0,05 a 2 por ciento en peso. El acero con contenido medio de carbono (0,3-0,6 por ciento de carbono) tiene una resistencia y ductilidad equilibradas, así como una excelente resistencia a la tracción. Mediante un proceso de tratamiento térmico, el acero con alto contenido de carbono (1,25-2 por ciento de carbono) se puede templar hasta obtener una gran dureza y utilizarse para la fabricación de cuchillos.
Las fibras de carbono, que son fibras de 5 a 10 μm de espesor compuestas principalmente de átomos de carbono, presentan rigidez, resistencia a la tracción, resistencia química, tolerancia a la temperatura y bajo peso y térmica expansión. El límite elástico del acero depende de su grado y el acero dulce tiene un límite elástico de 247 MPa. Las fibras de carbono tienen resistencias a la tracción que van desde 1.600 a 6.370 MPa y, por lo tanto, son populares en el campo de la ingeniería aeroespacial, civil y Deportes.
Cuando se ejerce una tensión sobre un material, al principio se deforma elásticamente. En esta etapa, puede volver a su forma original cuando se elimina la tensión. Fuerza de producción se define como la tensión que un material puede soportar sin deformación permanente.
Cuando llega a un punto (límite de fluencia superior) en el que ya no puede volver a sus dimensiones originales, sufre una deformación plástica, que es permanente e irreversible. La resistencia a la tracción es la resistencia máxima que un material puede soportar sin fallar ni romperse.