8.7.3: Química del Carbono (Z=6)

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El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo conocido pero no tan común en la tierra, a pesar de que los organismos vivos contienen cantidades significativas del elemento. Los compuestos de carbono comunes en el ambiente incluyen los gases dióxido de carbono (\(CO_2\)) y metano (\(CH_4\)).

Química Inorgánica del Carbono

El carbono inorgánico es el carbono extraído de minerales y minerales, a diferencia del carbono orgánico que se encuentra en la naturaleza a través de plantas y seres vivos. Algunos ejemplos de carbono inorgánico son los óxidos de carbono como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono; iones poliatómicos, cianuro, cianato, tiocianato, carbonato y carburo en carbono. El carbono es un elemento que es único en sí mismo. El carbono forma fuertes enlaces simples, dobles y triples, por lo tanto, se necesitaría más energía para romper estos enlaces que si el carbono se uniera a otro elemento.

Para el monóxido de carbono, la reacción es la siguiente:

\[2C_{(s)} + O_2 \rightarrow 2CO_{(g)} \;\;\;\; \Delta H = -110.52\; kJ/mol \;CO\]

\[C_{(s)} + O_2 \rightarrow CO_{2(g)} \;\;\;\; \Delta H = -393.51\; kJ/mol\; CO_2\]

CO y CO ₂ son ambos gases. El CO no tiene olor ni sabor y puede ser fatal para los organismos vivos si se expone incluso en cantidades muy pequeñas (alrededor de una milésima de gramo). Esto se debe a que el CO se unirá a la hemoglobina que transporta oxígeno en la sangre. El CO ₂ no llegará a ser fatal a menos que los organismos vivos estén expuestos a mayores cantidades del mismo, alrededor del 15%. El CO ₂ influye en la atmósfera y afecta la temperatura a través del efecto de gases de efecto invernadero. A medida que el calor es atrapado en la atmósfera por los gases de CO ₂, la temperatura de la Tierra aumenta. La principal fuente de CO ₂ en nuestra atmósfera, entre muchos son los volcanes.

Alótropos

El carbono existe en varias formas llamadas alótropos. El diamante es una forma con una celosía cristalina muy fuerte, conocida como una gema preciosa de los registros más antiguos. El grafito es otro alótropo en el que los átomos de carbono están dispuestos en planos que son atraídos poco entre sí (de ahí su uso como lubricante). Los fullerenos descubiertos recientemente son otra forma más de carbono.

El carbono inorgánico puede venir en forma de diamante como cristal transparente e isotrópico. Es el material natural más duro que ocurre en esta tierra. El diamante tiene cuatro electrones de valencia, y cuando cada electrón se une con otro carbono crea un átomo hibridado sp ³. El punto de ebullición del diamante es de 4827°C.
A diferencia del diamante, el grafito es opaco, suave, opaco y hexagonal. El grafito se puede utilizar como conductor (electrodos) o incluso como lápices. El grafito consiste en planos de átomos de carbono hibridados sp ² en los que cada carbono está unido a otros tres carbonos.
Los fullerenos son jaulas de carbono con la fórmula\(C_{2}n\) donde\(n > 13\). El fullereno más abundante es el C ₆₀ esférico. El fullereno puede contener átomos o moléculas dentro de la jaula (fullerenos endoédricos) o unidos covalentemente fuera (fullerenos exédricos o aductos). El descubrimiento de fullerenos está acreditado ante Richard Smalley y su equipo en 1985 en la Universidad Rice mediante la fotoablación de la superficie del grafito con un láser.

Aplicaciones

El carbono tiene un punto de fusión y ebullición muy alto y se combina rápidamente con el oxígeno a temperaturas elevadas. En pequeñas cantidades es un excelente endurecedor para el hierro, produciendo las diversas aleaciones de acero de las que depende gran parte de la construcción moderna. Un importante (pero raro) isótopo radiactivo de carbono, el C-14, se utiliza para fechar objetos antiguos de origen orgánico. Tiene una vida media de 5730 años pero solo hay 1 átomo de C-14 por cada 1012 átomos de C-12 (el isótopo habitual de carbono).

Referencias

Principios Generales de Química y Aplicaciones Modernas Novena Edición por Petrucci pg. 84-90
CD-ROM de Microsoft Encarta Encyclopedia 2002
Química Inorgánica Tercera Edición por Housecroft, Catherine