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Este artículo trata sobre el elemento químico. Para otros usos, consulte Carbon (desambiguación) .
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Carbono,  6 C
Grafito-y-diamante-con-escala.jpg
Grafito (izquierda) y diamante (derecha), dos alótropos de carbono
Carbón
Alótroposgrafito , diamante , otros
Apariencia
  • grafito: negro, aspecto metálico
  • diamante: claro
Peso atómico estándar A r, estándar (C) [12.0096 , 12.0116 ] convencional: 12.011
Carbono en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrencioRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
-
↑
C
↓
Si
boro ← carbono → nitrógeno
Número atómico ( Z )6
Grupogrupo 14 (grupo de carbono)
Períodoperíodo 2
Cuadra  bloque p
Configuración electronica[ Él ] 2s 2 2p 2
Electrones por capa2, 4
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de sublimación3915 K (3642 ° C, 6588 ° F)
Densidad (cerca de  rt )amorfo: 1,8–2,1 g / cm 3 [1]
grafito: 2,267 g / cm 3
diamante: 3,515 g / cm 3
Triple punto4600 K, 10,800 kPa [2] [3]
Calor de fusióngrafito: 117  kJ / mol
Capacidad calorífica molargrafito: 8.517 J / (mol · K)
diamante: 6.155 J / (mol · K)
Propiedades atómicas
Estados de oxidación−4 , −3 , −2 , −1 , 0 , +1 , [4] +2 , +3 , [5] +4 [6] (unóxidoligeramente ácido )
ElectronegatividadEscala de Pauling: 2,55
Energías de ionización
  • 1 °: 1086,5 kJ / mol
  • 2do: 2352,6 kJ / mol
  • Tercero: 4620,5 kJ / mol
  • ( más )
Radio covalentesp 3 : 77 pm
sp 2 : 73 pm
sp: 69  pm
Radio de Van der Waals170 pm
Líneas espectrales de carbono
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinagrafito: hexagonal sencillo

(negro)
Estructura cristalinadiamante: diamante cúbico de caras centradas-

(claro)
Velocidad de sonido varilla finadiamante: 18.350 m / s (a 20 ° C)
Expansión térmicadiamante: 0,8 µm / (m · K) (a 25 ° C) [7]
Conductividad térmicagrafito: 119–165 W / (m · K)
diamante: 900–2300 W / (m · K)
Resistividad electricagrafito: 7.837 µΩ · m [8]
Orden magnéticodiamagnético [9]
Susceptibilidad magnética−5,9 · 10 −6 (gráfico) cm 3 / mol [10]
El módulo de Youngdiamante: 1050 GPa [7]
Módulo de cortediamante: 478 GPa [7]
Módulo de volumendiamante: 442 GPa [7]
Relación de Poissondiamante: 0,1 [7]
Dureza de Mohsgrafito: 1-2
diamantes: 10
Número CAS
  • grafito: 7782-42-5
  • diamante: 7782-40-3
Historia
DescubrimientoEgipcios y sumerios [11] (3750 a. C.)
Reconocido como un elemento porAntoine Lavoisier [12] (1789)
Principales isótopos de carbono
IsótopoAbundanciaVida media ( t 1/2 )Modo de decaimientoProducto
11 Csyn20 minutosβ +11 B
12 C98,9%estable
13 C1,1%estable
14 Crastro5730 añosβ -14 N
Categoría Categoría: Carbono
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El carbono (del latín : carbo "carbón") es un elemento químico con el símbolo C y número atómico 6. No es metálico y tetravalente, lo que hace que cuatro electrones estén disponibles para formar enlaces químicos covalentes . Pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. [13] El carbono constituye solo alrededor del 0.025 por ciento de la corteza terrestre. [14] Tres isótopos ocurren naturalmente, 12 C y 13 C son estables, mientras que 14 C es unradionúclido , decayendo con una vida media de aproximadamente 5.730 años. [15] El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad . [dieciséis]

El carbono es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre y el cuarto elemento más abundante en el universo en masa después del hidrógeno , el helio y el oxígeno . La abundancia de carbono, su diversidad única de compuestos orgánicos y su capacidad inusual para formar polímeros a las temperaturas que se encuentran comúnmente en la Tierra permite que este elemento sirva como un elemento común de toda la vida conocida . Es el segundo elemento más abundante en el cuerpo humano en masa (alrededor del 18,5%) después del oxígeno. [17]

Los átomos de carbono pueden unirse de diversas formas, dando como resultado varios alótropos de carbono . Los alótropos más conocidos son el grafito , el diamante y el buckminsterfullereno . [18] Las propiedades físicas del carbono varían ampliamente con la forma alotrópica. Por ejemplo, el grafito es opaco y negro, mientras que el diamante es muy transparente . El grafito es lo suficientemente suave como para formar una raya en el papel (de ahí su nombre, del verbo griego "γράφειν" que significa "escribir"), mientras que el diamante es el material natural más duro que se conoce. El grafito es un buen conductor eléctricomientras que el diamante tiene una conductividad eléctrica baja . En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen las conductividades térmicas más altas de todos los materiales conocidos . Todos los alótropos de carbono son sólidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma más estable termodinámicamente a temperatura y presión estándar. Son químicamente resistentes y requieren altas temperaturas para reaccionar incluso con oxígeno.

El estado de oxidación más común del carbono en los compuestos inorgánicos es +4, mientras que +2 se encuentra en el monóxido de carbono y los complejos de carbonilo de metales de transición . Las mayores fuentes de carbono inorgánico son las calizas , dolomitas y dióxido de carbono , pero se encuentran cantidades significativas en depósitos orgánicos de carbón , turba , petróleo y clatratos de metano . El carbono forma una gran cantidad de compuestos , más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha, [19]y, sin embargo, ese número es sólo una fracción del número de compuestos teóricamente posibles en condiciones estándar. Por esta razón, el carbono se ha referido a menudo como el "rey de los elementos". [20]

Caracteristicas

Diagrama de fases del carbono teóricamente predicho

Los alótropos del carbono incluyen el grafito , una de las sustancias más blandas conocidas, y el diamante , la sustancia natural más dura. Se une fácilmente con otros átomos pequeños , incluidos otros átomos de carbono, y es capaz de formar múltiples enlaces covalentes estables con átomos multivalentes adecuados. Se sabe que el carbono forma casi diez millones de compuestos, una gran mayoría de todos los compuestos químicos . [19] El carbono también tiene el punto de sublimación más alto de todos los elementos. A presión atmosférica no tiene punto de fusión, ya que su punto tripleestá a 10,8 ± 0,2 megapascales (106,6 ± 2,0 atm; 1,566 ± 29 psi) y 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300 ° C; 7,820 ± 540 ° F), [2] [3] por lo que se sublima a aproximadamente 3,900 K ( 3.630 ° C; 6.560 ° F). [21] [22] El grafito es mucho más reactivo que el diamante en condiciones estándar, a pesar de ser más estable termodinámicamente, ya que su sistema pi deslocalizado es mucho más vulnerable al ataque. Por ejemplo, el grafito se puede oxidar con ácido nítrico concentrado caliente en condiciones estándar a ácido melítico , C 6 (CO 2 H) 6 , que conserva las unidades hexagonales del grafito mientras rompe la estructura más grande. [23]

El carbono se sublima en un arco de carbono, que tiene una temperatura de aproximadamente 5800 K (5.530 ° C o 9.980 ° F). Por lo tanto, independientemente de su forma alotrópica, el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que los metales con el punto de fusión más alto, como el tungsteno o el renio . Aunque termodinámicamente propenso a la oxidación , el carbono resiste la oxidación con mayor eficacia que elementos como el hierro y el cobre , que son agentes reductores más débiles a temperatura ambiente.

El carbono es el sexto elemento, con una configuración electrónica en estado fundamental de 1s 2 2s 2 2p 2 , de los cuales los cuatro electrones externos son electrones de valencia . Sus primeras cuatro energías de ionización, 1086,5, 2352,6, 4620,5 y 6222,7 kJ / mol, son mucho más altas que las de los elementos más pesados ​​del grupo 14. La electronegatividad del carbono es 2.5, significativamente más alta que la de los elementos más pesados ​​del grupo 14 (1.8–1.9), pero cercana a la mayoría de los no metales cercanos, así como a algunos de los metales de transición de la segunda y tercera fila . Radios covalentes del carbononormalmente se toman como 77,2 pm (C − C), 66,7 pm (C = C) y 60,3 pm (C≡C), aunque pueden variar según el número de coordinación y a qué está unido el carbono. En general, el radio covalente disminuye con un número de coordinación más bajo y un orden de enlace más alto. [24]

Los compuestos de carbono forman la base de toda la vida conocida en la Tierra , y el ciclo carbono-nitrógeno proporciona parte de la energía producida por el Sol y otras estrellas . Aunque forma una variedad extraordinaria de compuestos, la mayoría de las formas de carbono son comparativamente no reactivas en condiciones normales. A temperatura y presión estándar, resiste todos los oxidantes excepto los más fuertes. No reacciona con ácido sulfúrico , ácido clorhídrico , cloro o cualquier álcali . A temperaturas elevadas, el carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono.y robará el oxígeno de los óxidos metálicos para dejar el metal elemental. Esta reacción exotérmica se utiliza en la industria del hierro y el acero para fundir hierro y controlar el contenido de carbono del acero :

Fe
3O
4+ 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

El monóxido de carbono se puede reciclar para fundir aún más hierro:

Fe
3O
4+ 4 CO (g) → 3 Fe (s) + 4 CO
2(gramo)

con azufre para formar disulfuro de carbono y con vapor en la reacción carbón-gas:

C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) .

El carbono se combina con algunos metales a altas temperaturas para formar carburos metálicos, como el carburo de hierro cementito en el acero y el carburo de tungsteno , ampliamente utilizado como abrasivo y para la fabricación de puntas duras para herramientas de corte.

El sistema de los alótropos de carbono abarca una gama de extremos:

El grafito es uno de los materiales más blandos que se conocen.El diamante nanocristalino sintético es el material más duro que se conoce. [25]
El grafito es un lubricante muy bueno , que muestra superlubricidad . [26]El diamante es el abrasivo definitivo .
El grafito es un conductor de electricidad. [27]El diamante es un excelente aislante eléctrico , [28] y tiene el campo eléctrico de ruptura más alto de todos los materiales conocidos.
Algunas formas de grafito se utilizan para aislamiento térmico (es decir, cortafuegos y pantallas térmicas), pero algunas otras formas son buenos conductores térmicos.El diamante es el conductor térmico natural más conocido
El grafito es opaco .El diamante es muy transparente.
El grafito cristaliza en el sistema hexagonal . [29]El diamante cristaliza en el sistema cúbico .
El carbono amorfo es completamente isótropo .Los nanotubos de carbono se encuentran entre los materiales más anisotrópicos conocidos.

Alótropos

Artículo principal: Alótropos de carbono.

El carbono atómico es una especie de vida muy corta y, por lo tanto, el carbono se estabiliza en varias estructuras multi-atómicas con diversas configuraciones moleculares llamadas alótropos . Los tres alótropos del carbono relativamente conocidos son el carbono amorfo , el grafito y el diamante . Una vez considerados exóticos, hoy en día los fullerenos se sintetizan y utilizan comúnmente en la investigación; incluyen buckyballs , [30] [31] nanotubos de carbono , [32] nanobuds de carbono [33] y nanofibras . [34] [35]También se han descubierto varios otros alótropos exóticos, como lonsdaleita , [36] carbono vítreo , [37] nanoespuma de carbono [38] y carbono acetilénico lineal (carbino). [39]

El grafeno es una hoja bidimensional de carbono con los átomos dispuestos en una red hexagonal. A partir de 2009, el grafeno parece ser el material más fuerte jamás probado. [40] El proceso de separarlo del grafito requerirá un mayor desarrollo tecnológico antes de que sea económico para los procesos industriales. [41] Si tiene éxito, el grafeno podría usarse en la construcción de un ascensor espacial . También podría usarse para almacenar hidrógeno de forma segura para su uso en un motor basado en hidrógeno en automóviles. [42]

Una gran muestra de carbono vítreo

La forma amorfa es una variedad de átomos de carbono en un estado vítreo, irregular, no cristalino, que no se mantiene en una macroestructura cristalina. Está presente en forma de polvo y es el componente principal de sustancias como el carbón vegetal , el negro de humo ( hollín ) y el carbón activado . A presiones normales, el carbono toma la forma de grafito, en el que cada átomo está unido trigonalmente a otros tres en un plano compuesto por anillos hexagonales fusionados , como los de los hidrocarburos aromáticos . [43] La red resultante es bidimensional y las láminas planas resultantes se apilan y se unen de forma flexible mediante fuerzas débiles de van der Waals.. Esto le da al grafito su suavidad y sus propiedades de corte (las hojas se deslizan fácilmente unas sobre otras). Debido a la deslocalización de uno de los electrones externos de cada átomo para formar una nube π , el grafito conduce la electricidad , pero solo en el plano de cada hoja unida covalentemente . Esto da como resultado una conductividad eléctrica a granel más baja para el carbono que para la mayoría de los metales . La deslocalización también explica la estabilidad energética del grafito sobre el diamante a temperatura ambiente.

Algunos alótropos del carbono: a) diamante ; b) grafito ; c) lonsdaleita ; d – f) fullerenos (C 60 , C 540 , C 70 ); g) carbono amorfo ; h) nanotubos de carbono

A presiones muy altas, el carbono forma el alótropo más compacto, el diamante , que tiene casi el doble de densidad que el grafito. Aquí, cada átomo está unido tetraédricamente a otros cuatro, formando una red tridimensional de anillos de átomos fruncidos de seis miembros. El diamante tiene la misma estructura cúbica como silicio y germanio , y debido a la fuerza de los de carbono-carbono bonos , es la sustancia natural más dura medida por la resistencia al rayado . Contrariamente a la creencia popular de que "los diamantes son para siempre" , son termodinámicamente inestables (Δ f G ° (diamante, 298 K) = 2,9 kJ / mol [44]) en condiciones normales (298 K, 10 5  Pa) y se transforman en grafito . [18] Debido a una barrera de alta energía de activación, la transición al grafito es tan lenta a temperatura normal que pasa desapercibida. La esquina inferior izquierda del diagrama de fases del carbono no se ha examinado de forma experimental. Aunque un estudio computacional que emplea la teoría de densidad funcional métodos llegó a la conclusión de que como T → 0 K y p → 0 Pa , diamante se hace más estable que el grafito en aproximadamente 1,1 kJ / mol, [45] estudios más recientes y definitivas experimentales y computacionales muestran que el grafito es más estable que el diamante para T<400 K , sin presión aplicada, por 2,7 kJ / mol en T  = 0 K y 3,2 kJ / mol en T  = 298,15 K. [46] En algunas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleita , una red cristalina hexagonal con todos los átomos unidos covalentemente y propiedades similares a las del diamante. [36]

Los fullerenos son una formación cristalina sintética con una estructura similar al grafito, pero en lugar de celdas hexagonales planas solamente, algunas de las celdas de las que se forman los fullerenos pueden ser pentágonos, hexágonos no planos o incluso heptágonos de átomos de carbono. Por tanto, las hojas se deforman en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (divididos en buckyballs, buckytubes y nanobuds) aún no se han analizado completamente y representan un área intensa de investigación en nanomateriales . Los nombres fullereno y buckyball se dan en honor a Richard Buckminster Fuller , divulgador de cúpulas geodésicas., que se asemejan a la estructura de los fullerenos. Las buckybolas son moléculas bastante grandes formadas completamente de carbono unido trigonalmente, formando esferoides (el más conocido y simple es el buckminsterfullereno C 60 en forma de balón de fútbol ). [30] Los nanotubos de carbono (buckytubes) son estructuralmente similares a las buckybolas, excepto que cada átomo está unido trigonalmente en una hoja curva que forma un cilindro hueco . [31] [32] Nanobuds se informó por primera vez en 2007 y son materiales híbridos buckytube / buckyball (las buckyballs están unidas covalentemente a la pared exterior de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una sola estructura. [33]

Cometa C / 2014 Q2 (Lovejoy) rodeado de vapor de carbono brillante

De los otros alótropos descubiertos, la nanoespuma de carbono es un alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Consiste en un conjunto de átomos de carbono de baja densidad unidos en una red tridimensional suelta, en la que los átomos están unidos trigonalmente en seis y anillos de siete miembros. Se encuentra entre los sólidos más ligeros conocidos, con una densidad de aproximadamente 2 kg / m 3 . [47] De manera similar, el carbono vítreo contiene una alta proporción de porosidad cerrada , [37] pero contrariamente al grafito normal, las capas de grafito no están apiladas como las páginas de un libro, sino que tienen una disposición más aleatoria. El carbono acetilénico lineal [39] tiene la estructura química[39] - (C ::: C) n -. El carbono en esta modificación es lineal con hibridación orbital sp , y es un polímero con enlaces simples y triples alternados. Este carbino es de considerable interés para la nanotecnología, ya que su módulo de Young es 40 veces mayor que el del material más duro conocido: el diamante. [48]

En 2015, un equipo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte anunció el desarrollo de otro alótropo al que han denominado Q-carbon , creado por un pulso láser de alta energía y baja duración sobre polvo de carbono amorfo. Se informa que el carbono Q exhibe ferromagnetismo, fluorescencia y una dureza superior a los diamantes. [49]

En la fase de vapor, parte del carbono se encuentra en forma de dicarbonato ( C
2). Cuando está excitado, este gas se ilumina en verde.

Ocurrencia

Mineral de grafito, mostrado con un centavo por escala
Cristal de diamante crudo
Concentración de carbono inorgánico disuelto en la superficie del mar "actual" (década de 1990) (de la climatología GLODAP )

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo observable en masa después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. En julio de 2020, los astrónomos informaron evidencia de que el carbono se formó principalmente en estrellas enanas blancas , particularmente aquellas más grandes que dos masas solares. [50] [51] El carbono es abundante en el Sol , las estrellas , los cometas y las atmósferas de la mayoría de los planetas . [52] Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar todavía era un disco protoplanetario .[53] Los diamantes microscópicos también pueden formarse por la presión intensa y la alta temperatura en los sitios de impacto de meteoritos. [54]

En 2014, la NASA anunció una base de datos muy mejorada para rastrear hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en el universo . Más del 20% del carbono del universo puede estar asociado con PAH, compuestos complejos de carbono e hidrógeno sin oxígeno. [55] Estos compuestos figuran en la hipótesis mundial de los PAH, donde se supone que tienen un papel en la abiogénesis y la formación de la vida . Los PAH parecen haberse formado "un par de miles de millones de años" después del Big Bang , están muy extendidos por todo el universo y están asociados con nuevas estrellas y exoplanetas .[52]

Se ha estimado que la tierra sólida en su conjunto contiene 730 ppm de carbono, con 2000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza combinados. [56] Dado que la masa de la tierra es5.972 × 10 24  kg , esto implicaría 4360 millones de gigatoneladas de carbono. Esto es mucho más que la cantidad de carbono en los océanos o la atmósfera (abajo).

En combinación con el oxígeno en el dióxido de carbono , el carbono se encuentra en la atmósfera de la Tierra (aproximadamente 900 gigatoneladas de carbono; cada ppm corresponde a 2,13 Gt) y se disuelve en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36.000 gigatoneladas de carbono). El carbono en la biosfera se ha estimado en 550 gigatoneladas, pero con una gran incertidumbre, debido principalmente a una gran incertidumbre en la cantidad de bacterias terrestres del subsuelo profundo . [57] Los hidrocarburos (como el carbón , el petróleo y el gas natural ) también contienen carbono. "Reservas" de carbón (no "recursos")ascienden a alrededor de 900 gigatoneladas con quizás 18.000 Gt de recursos. [58] Las reservas de petróleo rondan las 150 gigatoneladas. Las fuentes probadas de gas natural se tratan175 × 10 12  metros cúbicos (que contienen alrededor de 105 gigatoneladas de carbono), pero los estudios estiman otro900 × 10 12  metros cúbicos de depósitos "no convencionales" como el gas de esquisto , que representan alrededor de 540 gigatoneladas de carbono. [59]

El carbono también se encuentra en los hidratos de metano en las regiones polares y bajo los mares. Varias estimaciones sitúan este carbono entre 500, 2500 Gt , [60] o 3000 Gt. [61]

En el pasado, las cantidades de hidrocarburos eran mayores. Según una fuente, en el período comprendido entre 1751 y 2008 se liberaron a la atmósfera alrededor de 347 gigatoneladas de carbono como dióxido de carbono a partir de la quema de combustibles fósiles. [62] Otra fuente calcula la cantidad agregada a la atmósfera para el período desde 1750 en 879 Gt, y el total que va a la atmósfera, el mar y la tierra (como las turberas ) en casi 2.000 Gt. [63]

El carbono es un componente (alrededor del 12% en masa) de las grandes masas de roca carbonatada ( piedra caliza , dolomita , mármol , etc.). El carbón es muy rico en carbono (la antracita contiene del 92 al 98%) [64] y es la mayor fuente comercial de carbono mineral, con 4.000 gigatoneladas o el 80% del combustible fósil . [sesenta y cinco]

En cuanto a los alótropos de carbono individuales, el grafito se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos (principalmente en Nueva York y Texas ), Rusia , México , Groenlandia e India . Los diamantes naturales se encuentran en la roca kimberlita , que se encuentra en antiguos "cuellos" volcánicos o "tuberías". La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África , sobre todo en Sudáfrica , Namibia , Botswana , la República del Congo y Sierra Leona . También se han encontrado depósitos de diamantes en Arkansas., Canadá , el Ártico ruso , Brasil y en el norte y oeste de Australia . Ahora también se están recuperando diamantes del fondo del océano frente al Cabo de Buena Esperanza . Los diamantes se encuentran de forma natural, pero alrededor del 30% de todos los diamantes industriales que se utilizan en los EE. UU. Ahora se fabrican.

El carbono 14 se forma en las capas superiores de la troposfera y la estratosfera a altitudes de 9 a 15 km por una reacción que es precipitada por los rayos cósmicos . [66] Se producen neutrones térmicos que chocan con los núcleos de nitrógeno-14, formando carbono-14 y un protón. Como tal,1.5% × 10 −10 del dióxido de carbono atmosférico contiene carbono-14. [67]

Los asteroides ricos en carbono son relativamente preponderantes en las partes externas del cinturón de asteroides de nuestro sistema solar . Estos asteroides aún no han sido muestreados directamente por los científicos. Los asteroides se pueden usar en la minería de carbono hipotética basada en el espacio , lo que puede ser posible en el futuro, pero actualmente es tecnológicamente imposible. [68]

Isótopos

Artículo principal: Isótopos de carbono

Los isótopos de carbono son núcleos atómicos que contienen seis protones más varios neutrones (que varían de 2 a 16). El carbono tiene dos isótopos naturales estables . [15] El isótopo carbono-12 ( 12 C) forma el 98,93% del carbono de la Tierra, mientras que el carbono 13 ( 13 C) forma el 1,07% restante. [15] La concentración de 12 C aumenta aún más en materiales biológicos porque las reacciones bioquímicas discriminan contra 13 C. [69] En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada(IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para los pesos atómicos . [70] La identificación de carbono en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) se realiza con el isótopo 13 C.

El carbono-14 ( 14 C) es un radioisótopo natural , creado en la atmósfera superior ( estratosfera inferior y troposfera superior ) por la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos . [71] Se encuentra en trazas en la Tierra de 1 parte por billón (0,0000000001%) o más, principalmente confinado a la atmósfera y depósitos superficiales, particularmente de turba y otros materiales orgánicos. [72] Este isótopo desintegraciones por 0,158 MeV β - emisión . Debido a su vida media relativamente cortade 5730 años, el 14 C está prácticamente ausente en las rocas antiguas. La cantidad de 14 C en la atmósfera y en los organismos vivos es casi constante, pero disminuye previsiblemente en sus cuerpos después de la muerte. Este principio se utiliza en la datación por radiocarbono , inventada en 1949, que se ha utilizado ampliamente para determinar la edad de materiales carbonosos con edades de hasta aproximadamente 40.000 años. [73] [74]

Hay 15 isótopos conocidos de carbono y el de vida más corta es el 8 C, que se desintegra a través de la emisión de protones y la desintegración alfa y tiene una vida media de 1,98739 × 10 −21 s. [75] El exótico 19 C exhibe un halo nuclear , lo que significa que su radio es apreciablemente mayor de lo que se esperaría si el núcleo fuera una esfera de densidad constante . [76]

Formación en estrellas

Artículos principales: proceso triple alfa y ciclo CNO

La formación del núcleo atómico de carbono ocurre dentro de una estrella gigante o supergigante a través del proceso triple alfa . Esto requiere una colisión casi simultánea de tres partículas alfa ( núcleos de helio ), ya que los productos de posteriores reacciones de fusión nuclear de helio con hidrógeno u otro núcleo de helio producen litio-5 y berilio-8 respectivamente, ambos muy inestables y casi desintegrados. instantáneamente de regreso a núcleos más pequeños. [77]El proceso triple alfa ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 megakelvins y concentración de helio que la rápida expansión y enfriamiento del universo temprano prohibió, y por lo tanto no se creó carbono significativo durante el Big Bang .

Según la teoría actual de la cosmología física, el carbono se forma en el interior de las estrellas en la rama horizontal . [78] Cuando las estrellas masivas mueren como supernova, el carbono se dispersa en el espacio como polvo. Este polvo se convierte en material componente para la formación de los sistemas estelares de próxima generación con planetas acumulados. [52] [79] El Sistema Solar es uno de esos sistemas estelares con abundancia de carbono, lo que permite la existencia de vida tal como la conocemos.

El ciclo CNO es un mecanismo de fusión de hidrógeno adicional que alimenta las estrellas, en el que el carbono actúa como catalizador .

Las transiciones rotacionales de varias formas isotópicas de monóxido de carbono (por ejemplo, 12 CO, 13 CO y 18 CO) son detectables en el rango de longitud de onda submilimétrica y se utilizan en el estudio de estrellas recién formadas en nubes moleculares . [80]

Ciclo del carbono

Artículo principal: ciclo del carbono
Diagrama del ciclo del carbono. Los números negros indican cuánto carbono se almacena en varios depósitos, en miles de millones de toneladas ("GtC" significa gigatoneladas de carbono; las cifras son alrededor de 2004). Los números violetas indican la cantidad de carbono que se mueve entre los depósitos cada año. Los sedimentos, tal como se definen en este diagrama, no incluyen los 70 millones de GtC de roca carbonatada y kerógeno .

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento a otro es muy rara. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es efectivamente constante. Por lo tanto, los procesos que usan carbono deben obtenerlo de algún lugar y eliminarlo en otro lugar. Los caminos del carbono en el medio ambiente forman el ciclo del carbono . Por ejemplo, las plantas fotosintéticas extraen dióxido de carbono de la atmósfera (o agua de mar) y lo construyen en biomasa, como en el ciclo de Calvin , un proceso de fijación de carbono.. Los animales comen una parte de esta biomasa, mientras que los animales exhalan una parte del carbono en forma de dióxido de carbono. El ciclo del carbono es considerablemente más complicado que este circuito corto; por ejemplo, algo de dióxido de carbono se disuelve en los océanos; si las bacterias no lo consumen, la materia vegetal o animal muerta puede convertirse en petróleo o carbón , que libera carbono cuando se quema. [81] [82]

Compuestos

Artículo principal: compuestos de carbono

Compuestos orgánicos

Fórmula estructural del metano , el compuesto orgánico más simple posible.
Correlación entre el ciclo del carbono y la formación de compuestos orgánicos. En las plantas, el dióxido de carbono formado por la fijación de carbono puede unirse con el agua en la fotosíntesis ( verde ) para formar compuestos orgánicos, que pueden ser utilizados y convertidos por plantas y animales.

El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados , una propiedad que se llama catenación . Los enlaces carbono-carbono son fuertes y estables. A través de la catenaria, el carbono forma un sinnúmero de compuestos. Un recuento de compuestos únicos muestra que hay más carbono que no. [83] Se puede hacer una afirmación similar para el hidrógeno porque la mayoría de los compuestos orgánicos contienen hidrógeno unido químicamente al carbono u otro elemento común como oxígeno o nitrógeno.

La forma más simple de una molécula orgánica es el hidrocarburo, una gran familia de moléculas orgánicas que se componen de átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. Un esqueleto de hidrocarburo puede estar sustituido por otros átomos, conocidos como heteroátomos . Los heteroátomos comunes que aparecen en compuestos orgánicos incluyen oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y los halógenos no radiactivos, así como los metales litio y magnesio. Los compuestos orgánicos que contienen enlaces al metal se conocen como compuestos organometálicos ( ver más abajo ). Ciertos grupos de átomos, que a menudo incluyen heteroátomos, se repiten en un gran número de compuestos orgánicos. Estas colecciones, conocidas como grupos funcionales, confieren patrones de reactividad comunes y permiten el estudio sistemático y la categorización de compuestos orgánicos. La longitud de la cadena, la forma y los grupos funcionales afectan las propiedades de las moléculas orgánicas.

En la mayoría de los compuestos estables de carbono (y casi todos los compuestos orgánicos estables ), el carbono obedece a la regla del octeto y es tetravalente , lo que significa que un átomo de carbono forma un total de cuatro enlaces covalentes (que pueden incluir enlaces dobles y triples). Las excepciones incluyen un pequeño número de carbocationes estabilizados (tres enlaces, carga positiva), radicales (tres enlaces, neutro), carbaniones (tres enlaces, carga negativa) y carbenos (dos enlaces, neutro), aunque es mucho más probable que estas especies sean encontrado como intermedios reactivos inestables.

El carbono se encuentra en toda la vida orgánica conocida y es la base de la química orgánica . Cuando se une con el hidrógeno , forma varios hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes , lubricantes , solventes , como materia prima química para la fabricación de plásticos y petroquímicos , y como combustibles fósiles .

Cuando se combina con oxígeno e hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes que incluyen azúcares , lignanos , quitinas , alcoholes , grasas y ésteres aromáticos , carotenoides y terpenos . Con nitrógeno forma alcaloides , y con la adición de azufre también forma antibióticos , aminoácidos y productos de caucho . Con la adición de fósforo a estos otros elementos, forma ADN y ARN , los portadores del código químico de la vida, ytrifosfato de adenosina (ATP), la molécula de transferencia de energía más importante en todas las células vivas.

Compuestos inorgánicos

Comúnmente, los compuestos que contienen carbono que están asociados con minerales o que no contienen enlaces con los otros átomos de carbono, halógenos o hidrógeno, se tratan por separado de los compuestos orgánicos clásicos ; la definición no es rígida y la clasificación de algunos compuestos puede variar de un autor a otro (ver artículos de referencia arriba). Entre estos se encuentran los óxidos simples de carbono. El óxido más destacado es el dióxido de carbono ( CO
2). Este fue una vez el componente principal de la paleoatmosfera , pero es un componente menor de la atmósfera de la Tierra en la actualidad. [84] Disuelto en agua , forma ácido carbónico ( H
2CO
3), pero como la mayoría de los compuestos con múltiples oxígenos de un solo enlace en un solo carbono, es inestable. [85] A través de este intermedio, sin embargo, se producen iones carbonato estabilizados por resonancia . Algunos minerales importantes son los carbonatos, en particular la calcita . Disulfuro de carbono ( CS
2) es similar. [23] Sin embargo, debido a sus propiedades físicas y su asociación con la síntesis orgánica, el disulfuro de carbono a veces se clasifica como un solvente orgánico .

El otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Está formado por una combustión incompleta y es un gas incoloro e inodoro. Cada una de las moléculas contiene un triple enlace y son bastante polares , lo que da como resultado una tendencia a unirse permanentemente a las moléculas de hemoglobina, desplazando al oxígeno, que tiene una menor afinidad de unión. [86] [87] El cianuro (CN - ) tiene una estructura similar, pero se comporta de manera muy similar a un ion haluro ( pseudohalógeno ). Por ejemplo, puede formar la molécula de nitruro cianógeno ((CN) 2 ), similar a los haluros diatómicos. Asimismo, el análogo más pesado del cianuro, el ciafuro (CP -), también se considera inorgánico, aunque la mayoría de los derivados simples son muy inestables. Otros óxidos poco comunes son el subóxido de carbono ( C
3O
2), [88] el monóxido de dicarbono inestable (C 2 O), [89] [90] trióxido de carbono (CO 3 ), [91] [92] ciclopentanopental (C 5 O 5 ), [93] ciclohexanohexona (C 6 O 6 ), [93] y anhídrido melítico (C 12 O 9 ). Sin embargo, el anhídrido melítico es el triple anhídrido de acilo del ácido melítico; además, contiene un anillo de benceno. Por eso, muchos químicos lo consideran orgánico.

Con metales reactivos , como el tungsteno , el carbono forma carburos (C 4− ) o acetiluros ( C2−
2) para formar aleaciones con altos puntos de fusión. Estos aniones también están asociados con el metano y el acetileno , ambos ácidos muy débiles . Con una electronegatividad de 2,5, el carbono [94] prefiere formar enlaces covalentes . Algunos carburos son redes covalentes, como el carborundo (SiC), que se asemeja al diamante . Sin embargo, incluso los carburos más polares y salinos no son compuestos completamente iónicos. [95]

Compuestos organometálicos

Artículo principal: Química organometálica

Los compuestos organometálicos por definición contienen al menos un enlace covalente carbono-metal. Existe una amplia gama de tales compuestos; las clases principales incluyen compuestos de alquil-metal simples (por ejemplo, plomo de tetraetilo ), compuestos de η2 - alqueno (por ejemplo, sal de Zeise ) y compuestos de η3 - alilo (por ejemplo, dímero de cloruro de alilpaladio ); metalocenos que contienen ligandos de ciclopentadienilo (por ejemplo, ferroceno ); y complejos de carbeno de metales de transición . Existen muchos carbonilos y cianuros metálicos (por ejemplo, tetracarbonilníquel y ferricianuro de potasio); algunos investigadores consideran que los complejos de cianuro y carbonilo metálico sin otros ligandos de carbono son puramente inorgánicos y no organometálicos. Sin embargo, la mayoría de los químicos organometálicos consideran que los complejos metálicos con cualquier ligando de carbono, incluso el "carbono inorgánico" (por ejemplo, carbonilos, cianuros y ciertos tipos de carburos y acetiluros) son de naturaleza organometálica. Los complejos metálicos que contienen ligandos orgánicos sin un enlace covalente carbono-metal (por ejemplo, carboxilatos metálicos) se denominan compuestos metalorgánicos .

Aunque se entiende que el carbono prefiere fuertemente la formación de cuatro enlaces covalentes, también se conocen otros esquemas de enlace exóticos. Los carboranos son derivados dodecaédricos altamente estables de la unidad [B 12 H 12 ] 2- , con un BH reemplazado por un CH + . Por tanto, el carbono está unido a cinco átomos de boro y un átomo de hidrógeno. El catión [(Ph 3 PAu) 6 C] 2+ contiene un carbono octaédrico unido a seis fragmentos de fosfina-oro. Este fenómeno se ha atribuido a la aurofilia de los ligandos de oro, que proporcionan una estabilización adicional de una especie por lo demás lábil. [96]En la naturaleza, el cofactor de hierro-molibdeno ( FeMoco ) responsable de la fijación de nitrógeno microbiano también tiene un centro de carbono octaédrico (formalmente un carburo, C (-IV)) unido a seis átomos de hierro. En 2016, se confirmó que, de acuerdo con predicciones teóricas anteriores, la dicación del hexametilbenceno contiene un átomo de carbono con seis enlaces. Más específicamente, la dicación podría describirse estructuralmente mediante la formulación [MeC (η 5 -C 5 Me 5 )] 2+ , lo que la convierte en un " metaloceno orgánico " en el que un fragmento de MeC 3+ se une a un η 5 -C 5 Yo 5 -fragmento a través de los cinco carbonos del anillo. [97]

Este derivado del antraceno contiene un átomo de carbono con 5 pares de electrones formales a su alrededor.

Es importante señalar que en los casos anteriores, cada uno de los enlaces al carbono contiene menos de dos pares de electrones formales. Por tanto, el recuento formal de electrones de estas especies no supera un octeto. Esto los hace hipercoordinados pero no hipervalentes. Incluso en los casos de supuestas especies de 10-C-5 (es decir, un carbono con cinco ligandos y un conteo formal de electrones de diez), según lo informado por Akiba y colaboradores, [98] los cálculos de la estructura electrónica concluyen que la población de electrones alrededor el carbono es todavía menos de ocho, como ocurre con otros compuestos que presentan enlaces de tres centros de cuatro electrones .

Historia y etimología

Antoine Lavoisier en su juventud

El nombre inglés carbono proviene del latín carbo para carbón y carbón vegetal, [99] de donde también viene el francés charbon , que significa carbón vegetal. En alemán , holandés y danés , los nombres de carbono son Kohlenstoff , koolstof y kulstof respectivamente, todos literalmente significando carbón- sustancia.

El carbono se descubrió en la prehistoria y se conocía en forma de hollín y carbón vegetal hasta las primeras civilizaciones humanas . Los diamantes se conocían probablemente ya en el año 2500 a. C. en China, mientras que el carbono en forma de carbón vegetal se producía alrededor de la época romana con la misma química que en la actualidad, calentando madera en una pirámide cubierta de arcilla para excluir el aire. [100] [101]

Carl Wilhelm Scheele

En 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demostró que el hierro se transformó en acero mediante la absorción de alguna sustancia, ahora conocida como carbono. [102] En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón y diamante y descubrió que ninguno producía agua y que ambos liberaban la misma cantidad de dióxido de carbono por gramo . En 1779, [103] Carl Wilhelm Scheele mostró que el grafito, que se había considerado una forma de plomo, en cambio, era idéntico al carbón vegetal pero con una pequeña mezcla de hierro, y que daba "ácido aéreo" (su nombre para el dióxido de carbono) cuando se oxidaba con ácido nítrico. [104] En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet , Gaspard Monge y CA Vandermonde confirmaron que el grafito era principalmente carbono oxidándolo en oxígeno de la misma manera que lo había hecho Lavoisier con el diamante. [105] De nuevo quedó algo de hierro, que los científicos franceses pensaron que era necesario para la estructura del grafito. En su publicación propusieron el nombre carbone (latín carbonum ) para el elemento del grafito que se desprendía como gas al quemar el grafito. Antoine Lavoisier luego enumeró el carbono como unelemento en su libro de texto de 1789. [106]

Un nuevo alótropo de carbono, el fullereno , que se descubrió en 1985 [107], incluye formas nanoestructuradas como buckyballs y nanotubes . [30] Sus descubridores, Robert Curl , Harold Kroto y Richard Smalley  , recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. [108] El renovado interés resultante en nuevas formas condujo al descubrimiento de más alótropos exóticos, incluido el carbono vítreo , y la realización que el " carbono amorfo " no es estrictamente amorfo .[37]

Producción

Grafito

Artículo principal: Grafito

Los depósitos naturales de grafito comercialmente viables se encuentran en muchas partes del mundo, pero las fuentes más importantes económicamente se encuentran en China , India , Brasil y Corea del Norte . Los depósitos de grafito son de origen metamórfico , se encuentran asociados con cuarzo , mica y feldespatos en esquistos, gneis y areniscas metamorfoseadas y calizas como lentes o vetas , a veces de un metro o más de espesor. Depósitos de grafito en Borrowdale , Cumberland ,Inglaterra tenía al principio el tamaño y la pureza suficientes para que, hasta el siglo XIX, los lápices se fabricaran simplemente aserrando bloques de grafito natural en tiras antes de revestir las tiras en madera. Hoy en día, se obtienen depósitos más pequeños de grafito triturando la roca madre y flotando el grafito más ligero en el agua. [109]

Hay tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas o en escamas cristalinas, y vetas o grumos. El grafito amorfo es el de menor calidad y el más abundante. Contrariamente a la ciencia, en la industria "amorfo" se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño en lugar de una falta total de estructura cristalina. Amorfo se utiliza para productos de grafito de menor valor y es el grafito de menor precio. Se encuentran grandes depósitos de grafito amorfo en China, Europa, México y Estados Unidos. El grafito en escamas es menos común y de mayor calidad que el amorfo; ocurre como placas separadas que cristalizan en roca metamórfica. El grafito en escamas puede costar cuatro veces el precio del amorfo. Las escamas de buena calidad se pueden procesar en grafito expandible para muchos usos, como retardadores de llama.. Los principales depósitos se encuentran en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. El grafito de vetas o grumos es el tipo de grafito natural más raro, más valioso y de mayor calidad. Ocurre en venas a lo largo de contactos intrusivos en grumos sólidos, y solo se extrae comercialmente en Sri Lanka. [109]

Según el USGS , la producción mundial de grafito natural fue de 1,1 millones de toneladas en 2010, a las que China contribuyó con 800.000 t, India 130.000 t, Brasil 76.000 t, Corea del Norte 30.000 ty Canadá 25.000 t. No se informó de la extracción de grafito natural en los Estados Unidos, pero en 2009 se produjeron 118.000 toneladas de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones de dólares. [109]

Diamante

Artículo principal: Diamante
Producción de diamantes en 2005

La cadena de suministro de diamantes está controlada por un número limitado de empresas poderosas y también está muy concentrada en un pequeño número de ubicaciones en todo el mundo (ver figura).

Solo una fracción muy pequeña del mineral de diamantes se compone de diamantes reales. El mineral se tritura, durante el cual se debe tener cuidado para evitar que los diamantes más grandes se destruyan en este proceso y, posteriormente, las partículas se clasifiquen por densidad. Hoy en día, los diamantes se ubican en la fracción de densidad rica en diamantes con la ayuda de la fluorescencia de rayos X , después de lo cual los pasos finales de clasificación se realizan a mano. Antes de que el uso de rayos X se volviera común, la separación se realizaba con cintas de grasa; Los diamantes tienen una tendencia más fuerte a adherirse a la grasa que los otros minerales del mineral. [110]

Históricamente, se sabía que los diamantes solo se encontraban en depósitos aluviales en el sur de la India . [111] India lideró el mundo en la producción de diamantes desde el momento de su descubrimiento aproximadamente en el siglo IX a. C. [112] hasta mediados del siglo XVIII d. C., pero el potencial comercial de estas fuentes se había agotado a finales del siglo XVIII y en esa vez la India fue eclipsada por Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes no indios en 1725. [113]

La producción de diamantes de depósitos primarios (kimberlitas y lamproitas) solo comenzó en la década de 1870 después del descubrimiento de los campos de diamantes en Sudáfrica. La producción ha aumentado con el tiempo y ahora se ha extraído un total acumulado de 4.500 millones de quilates desde esa fecha. [114] Aproximadamente el 20% de esa cantidad se ha extraído solo en los últimos 5 años, y durante los últimos diez años han comenzado la producción 9 nuevas minas, mientras que 4 más esperan ser abiertas pronto. La mayoría de estas minas se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola y una en Rusia. [114]

En los Estados Unidos, se han encontrado diamantes en Arkansas , Colorado y Montana . [115] [116] En 2004, un descubrimiento sorprendente de un diamante microscópico en los Estados Unidos [117] condujo al muestreo masivo de tuberías de kimberlita en enero de 2008 en una parte remota de Montana . [118]

En la actualidad, la mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encuentran en Rusia , Botswana , Australia y la República Democrática del Congo . [119] En 2005, Rusia produjo casi una quinta parte de la producción mundial de diamantes, informa el Servicio Geológico Británico . Australia tiene la tubería diamantífera más rica con una producción que alcanzó niveles máximos de 42 toneladas métricas (41 toneladas largas; 46 toneladas cortas) por año en la década de 1990. [115] También hay depósitos comerciales que se están minando activamente en los Territorios del Noroeste de Canadá , Siberia (principalmente en el territorio de Yakutia ; por ejemplo,Mir pipe y Udachnaya pipe ), Brasil y en el norte y oeste de Australia .

Aplicaciones

Las minas de lápiz para portaminas están hechas de grafito (a menudo mezclado con arcilla o aglutinante sintético).
Palitos de vid y carbón comprimido
Una tela de fibras de carbono tejidas.
El carburo de silicio de cristal único
El fullereno C 60 en forma cristalina
Fresas de carburo de tungsteno

El carbono es esencial para todos los sistemas vivos conocidos, y sin él la vida tal como la conocemos no podría existir (ver bioquímica alternativa ). El principal uso económico del carbono, además de los alimentos y la madera, es en forma de hidrocarburos, sobre todo el gas metano de los combustibles fósiles y el petróleo crudo (petróleo). El petróleo crudo se destiló en refinerías por la industria petroquímica para producir gasolina , queroseno , y otros productos. La celulosa es un polímero natural que contiene carbono producido por las plantas en forma de madera , algodón , lino.y cáñamo . La celulosa se usa principalmente para mantener la estructura en las plantas. Los polímeros de carbono de origen animal de valor comercial incluyen lana , cachemira y seda . Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incluidos a intervalos regulares en la cadena principal del polímero. La materia prima de muchas de estas sustancias sintéticas proviene del petróleo crudo.

Los usos del carbono y sus compuestos son extremadamente variados. Puede formar aleaciones con hierro , de las cuales la más común es el acero al carbono . El grafito se combina con arcillas para formar la "mina" que se utiliza en los lápices que se utilizan para escribir y dibujar . También se utiliza como lubricante y pigmento , como material de moldeo en la fabricación de vidrio , en electrodos para baterías secas y en galvanoplastia y electroformado , en cepillos paramotores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares .

El carbón se utiliza como material de dibujo en obras de arte , parrillas de barbacoa , fundición de hierro y en muchas otras aplicaciones. La madera, el carbón y el petróleo se utilizan como combustible para la producción de energía y calefacción . El diamante de calidad gema se usa en joyería, y los diamantes industriales se usan en herramientas de perforación, corte y pulido para mecanizar metales y piedra. Los plásticos están hechos de hidrocarburos fósiles y la fibra de carbono , hecha por pirólisis de fibras sintéticas de poliéster, se usa para reforzar los plásticos y formar materiales compuestos livianos y avanzados .

La fibra de carbono se fabrica mediante pirólisis de filamentos estirados y extruidos de poliacrilonitrilo (PAN) y otras sustancias orgánicas. La estructura cristalográfica y las propiedades mecánicas de la fibra dependen del tipo de material de partida y del procesamiento posterior. Las fibras de carbono hechas de PAN tienen una estructura que se asemeja a filamentos estrechos de grafito, pero el procesamiento térmico puede reordenar la estructura en una hoja enrollada continua. El resultado son fibras con mayor resistencia específica a la tracción que el acero. [120]

El negro de carbón se utiliza como pigmento negro en tintas de impresión , pinturas al óleo y acuarelas de artistas, papel carbón , acabados para automóviles, tinta china y tóner para impresoras láser . El negro de carbón también se utiliza como relleno en productos de caucho como neumáticos y en compuestos plásticos . El carbón activado se utiliza como absorbente y adsorbente en material filtrante en aplicaciones tan diversas como máscaras de gas , purificación de agua y campanas extractoras de cocina y en medicina para absorber toxinas, venenos o gases del sistema digestivo . El carbono se utiliza en la reducción química a altas temperaturas. El coque se utiliza para convertir el mineral de hierro en hierro (fundición). El endurecimiento cementado del acero se logra calentando los componentes de acero terminados en polvo de carbono. Los carburos de silicio , tungsteno , boro y titanio se encuentran entre los materiales más duros conocidos y se utilizan como abrasivos.en herramientas de corte y amolado. Los compuestos de carbono constituyen la mayoría de los materiales utilizados en la confección, como los tejidos naturales y sintéticos y el cuero , y casi todas las superficies interiores del entorno construido, además del vidrio, la piedra y el metal.

Diamantes

La industria del diamante se divide en dos categorías: una que se ocupa de los diamantes de calidad gema y la otra, de los diamantes de calidad industrial. Si bien existe un gran comercio de ambos tipos de diamantes, los dos mercados funcionan de manera radicalmente diferente.

A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino , los diamantes de gemas no se comercializan como una mercancía : existe un margen sustancial en la venta de diamantes y no hay un mercado muy activo para la reventa de diamantes.

Los diamantes industriales se valoran principalmente por su dureza y conductividad térmica, y las cualidades gemológicas de claridad y color son en su mayoría irrelevantes. Aproximadamente el 80% de los diamantes extraídos (equivalentes a unos 100 millones de quilates o 20 toneladas anuales) no son aptos para su uso, ya que las piedras preciosas quedan relegadas para uso industrial (conocido como bort ) . [121] Los diamantes sintéticos , inventados en la década de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi inmediatas; Anualmente se producen 3.000 millones de quilates (600  toneladas ) de diamante sintético. [122]

El uso industrial dominante del diamante es el corte, la perforación, el esmerilado y el pulido. La mayoría de estas aplicaciones no requieren diamantes grandes; de hecho, la mayoría de los diamantes de calidad gema, excepto por su pequeño tamaño, se pueden utilizar industrialmente. Los diamantes se incrustan en las puntas de los taladros o en las hojas de sierra, o se muelen en polvo para su uso en aplicaciones de esmerilado y pulido. [123] Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como contención para experimentos de alta presión (ver celda de yunque de diamante ), cojinetes de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especializadas . [124] [125]Con los continuos avances en la producción de diamantes sintéticos, se están volviendo factibles nuevas aplicaciones. Lo que genera mucho entusiasmo es el posible uso del diamante como semiconductor adecuado para microchips y, debido a su excepcional propiedad de conductancia térmica, como disipador de calor en la electrónica . [126]

Precauciones

Trabajador en la planta de negro de humo en Sunray, Texas (foto de John Vachon , 1942)

El carbono puro tiene una toxicidad extremadamente baja para los seres humanos y se puede manipular de forma segura en forma de grafito o carbón. Es resistente a la disolución o al ataque químico, incluso en los contenidos ácidos del tracto digestivo. En consecuencia, una vez que ingresa a los tejidos del cuerpo, es probable que permanezca allí indefinidamente. El negro de carbón fue probablemente uno de los primeros pigmentos que se usaron para tatuar , y se descubrió que Ötzi the Iceman tenía tatuajes de carbón que sobrevivieron durante su vida y 5200 años después de su muerte. [127] La inhalación de polvo de carbón u hollín (negro de carbón) en grandes cantidades puede ser peligrosa, irritar los tejidos pulmonares y causar la enfermedad pulmonar congestiva .neumoconiosis de los carboneros . El polvo de diamante utilizado como abrasivo puede ser dañino si se ingiere o inhala. Las micropartículas de carbono se producen en los gases de escape de los motores diesel y pueden acumularse en los pulmones. [128] En estos ejemplos, el daño puede deberse a contaminantes (p. Ej., Productos químicos orgánicos, metales pesados) más que al carbono en sí.

El carbono generalmente tiene una baja toxicidad para la vida en la Tierra ; pero las nanopartículas de carbono son mortales para Drosophila . [129]

El carbono puede arder de forma vigorosa y brillante en presencia de aire a altas temperaturas. Grandes acumulaciones de carbón, que han permanecido inerte durante cientos de millones de años en ausencia de oxígeno, pueden arder espontáneamente cuando se exponen al aire en vertederos de desechos de minas de carbón, bodegas de carga de buques y depósitos de carbón, [130] [131] y vertederos de almacenamiento. .

En aplicaciones nucleares en las que se utiliza grafito como moderador de neutrones , puede producirse una acumulación de energía de Wigner seguida de una liberación repentina y espontánea. El recocido a al menos 250 ° C puede liberar la energía de forma segura, aunque en el incendio de Windscale el procedimiento salió mal, provocando la combustión de otros materiales del reactor.

La gran variedad de compuestos de carbono incluye venenos letales como la tetrodotoxina , la lectina ricina de las semillas de la planta de ricino Ricinus communis , el cianuro (CN - ) y el monóxido de carbono ; y elementos esenciales para la vida como la glucosa y las proteínas .

Ver también

  • Chovinismo del carbono
  • Detonación de carbono
  • Huella de carbono
  • Estrella de carbono
  • Economía baja en carbono
  • Cronología de los nanotubos de carbono

Referencias

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Bibliografía

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enlaces externos

  • Carbon en In Our Time en la BBC
  • Carbono en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
  • Carbono en Britannica
  • Amplia página de carbono en asu.edu
  • Usos electroquímicos del carbono
  • Carbono: súper cosas. Animación con sonido y modelos 3D interactivos.