Fórmula química de carbono. ¿Qué es el carbono? Descripción, propiedades y fórmula del carbono.

Uno de los elementos más sorprendentes que pueden formar una gran variedad de compuestos de naturaleza orgánica e inorgánica es el carbono. Este es un elemento tan inusual en sus propiedades que incluso Mendeleev predijo un gran futuro para él, hablando de características que aún no han sido reveladas.

Posteriormente esto quedó prácticamente confirmado. Se supo que él es el principal elemento biogénico de nuestro planeta, que forma parte absolutamente de todos los seres vivos. Además, es capaz de existir en formas que son radicalmente diferentes en todos los parámetros, pero al mismo tiempo están compuestas únicamente por átomos de carbono.

En general, esta estructura tiene muchas características, y es con ellas con las que intentaremos resolverlo en el transcurso del artículo.

Carbono: fórmula y posición en el sistema de elementos.

En la tabla periódica, el elemento carbono se encuentra en el grupo IV (según una nueva muestra en 14), el subgrupo principal. Su número ordinal es 6 y su peso atómico es 12,011. La designación de un elemento por el signo C indica su nombre en latín - carboneum. Hay varias formas diferentes en las que existe el carbono. Por tanto, su fórmula es diferente y depende de la modificación concreta.

Sin embargo, existe, por supuesto, una designación específica para escribir ecuaciones de reacción. En general, cuando hablamos de una sustancia en su forma pura, se acepta la fórmula molecular del carbono C, sin indexar.

Historial de descubrimiento de artículos

Por sí solo, este elemento se conoce desde la antigüedad. Después de todo, uno de los minerales más importantes de la naturaleza es el carbón. Por lo tanto, para los antiguos griegos, romanos y otros pueblos, no era un secreto.

Además de esta variedad, también se utilizaron diamantes y grafito. Durante mucho tiempo, hubo muchas situaciones confusas con este último, ya que a menudo sin analizar la composición, tales compuestos se tomaron como grafito:

• plomo de plata;
• carburo de hierro;
• sulfuro de molibdeno.

Todos estaban pintados de negro y, por lo tanto, se consideraron grafito. Más tarde, este malentendido se aclaró y esta forma de carbono se convirtió en sí misma.

Desde 1725, los diamantes han adquirido una gran importancia comercial, y en 1970 se dominó la tecnología para obtenerlos artificialmente. Desde 1779, gracias al trabajo de Karl Scheele, se han estudiado las propiedades químicas que exhibe el carbono. Este fue el comienzo de una serie de descubrimientos importantes en el campo de este elemento y se convirtió en la base para aclarar todas sus características únicas.

Isótopos de carbono y distribución en la naturaleza.

A pesar de que el elemento considerado es uno de los elementos biogénicos más importantes, su contenido total en la masa de la corteza terrestre es del 0,15%. Esto se debe al hecho de que experimenta una circulación constante, el ciclo natural de la naturaleza.

En general, puede nombrar varios compuestos de naturaleza mineral, entre los que se incluye el carbono. Estas son razas tan naturales como:

• dolomitas y calizas;
• antracita;
• pizarra bituminosa;
• gas natural;
• carbón;
• petróleo;
• carbón marron;
• turba;
• betún.

Además, no se deben olvidar los seres vivos, que son simplemente un depósito de compuestos de carbono. Después de todo, forman proteínas, grasas, carbohidratos, ácidos nucleicos, lo que significa las moléculas estructurales más vitales. En general, al volver a calcular la masa corporal seca, de 70 kg, 15 caen sobre un elemento puro. Y lo mismo ocurre con todas las personas, sin mencionar los animales, las plantas y otras criaturas.

Si consideramos tanto el agua, es decir, la hidrosfera en su conjunto como la atmósfera, entonces hay una mezcla de carbono-oxígeno, expresada por la fórmula CO 2. El dióxido o dióxido de carbono es uno de los principales gases que componen el aire. De esta forma, la fracción de masa de carbono es del 0,046%. Incluso más dióxido de carbono disuelto en las aguas de los océanos.

La masa atómica del carbono como elemento es 12,011. Se sabe que este valor se calcula como la media aritmética entre los pesos atómicos de todas las variedades isotópicas existentes en la naturaleza, teniendo en cuenta su prevalencia (en porcentaje). Esto también sucede con la sustancia en cuestión. Hay tres isótopos principales en los que se encuentra el carbono. Eso:

• 12 С - su fracción de masa en la abrumadora mayoría es del 98,93%;
• 13 C - 1,07%;
• 14 С - radiactivo, vida media 5700 años, emisor beta estable.

En la práctica de determinar la edad geocronológica de las muestras, se usa ampliamente el isótopo radiactivo 14 C, que es un indicador debido a su largo período de desintegración.

Modificaciones de elementos alotrópicos

El carbono es un elemento que, como sustancia simple, existe en varias formas. Es decir, es capaz de formar el mayor número de modificaciones alotrópicas conocidas hasta la fecha.

1. Variaciones cristalinas: existen en forma de estructuras fuertes con redes atómicas regulares. Este grupo incluye variedades tales como:

• diamantes
• fullerenos;
• grafitos;
• carabinas
• lonsdaleitas;
• y tubos.

Todos difieren en la red, en cuyos sitios hay un átomo de carbono. De ahí las propiedades completamente únicas y diferentes, tanto físicas como químicas.

2. Formas amorfas: están formadas por un átomo de carbono, que forma parte de algunos compuestos naturales. Es decir, no se trata de variedades puras, sino con impurezas de otros elementos en pequeñas cantidades. Este grupo incluye:

• Carbón activado;
• piedra y madera;
• Hollín;
• nanoespuma de carbono;
• antracita;
• carbono vítreo;
• tipo técnico de sustancia.

También están unidos por las características estructurales de la red cristalina, que explican y manifiestan propiedades.

3. Compuestos de carbono en forma de racimos. Una estructura de este tipo, en la que los átomos están cerrados en una conformación hueca especial desde el interior, llenos de agua o los núcleos de otros elementos. Ejemplos:

• nanoconas de carbono;
• astralenos;
• dicarbon.

Propiedades físicas del carbono amorfo

Debido a la amplia variedad de modificaciones alotrópicas, es difícil aislar cualquier propiedad física general del carbono. Es más fácil hablar de un formulario específico. Por ejemplo, el carbono amorfo tiene las siguientes características.

1. Todas las formas se basan en variedades de grafito cristalino fino.
2. Gran capacidad calorífica.
3. Buenas propiedades conductoras.
4. La densidad del carbono es de aproximadamente 2 g / cm 3.
5. Cuando se calienta por encima de 1600 0 С, se produce una transición a formas de grafito.

Las variedades de negro de carbón y piedra se utilizan ampliamente con fines técnicos. No son una manifestación de la modificación del carbono puro, pero contienen cantidades muy grandes.

Carbono cristalino

Hay varias opciones en las que el carbono es una sustancia que forma cristales regulares de varios tipos, donde los átomos están conectados en serie. Como resultado, se forman las siguientes modificaciones.

1. - cúbico, en el que se conectan cuatro tetraedros. Como resultado, todos los enlaces químicos covalentes de cada átomo están saturados al máximo y son fuertes. Esto explica las propiedades físicas: la densidad del carbono es de 3300 kg / m 3. Alta dureza, baja capacidad calorífica, falta de conductividad eléctrica: todo esto es el resultado de la estructura de la red cristalina. Hay diamantes técnicamente producidos. Formado durante la transición del grafito a la siguiente modificación bajo la influencia de alta temperatura y cierta presión. En general, es tan alto como la fuerza, alrededor de 3500 0 С.
2. Grafito. Los átomos están ubicados de manera similar a la estructura de la sustancia anterior, sin embargo, solo se saturan tres enlaces, y el cuarto se vuelve más largo y menos duradero, conecta las "capas" de anillos reticulares hexagonales. Como resultado, resulta que el grafito es una sustancia negra suave y grasosa. Tiene buena conductividad eléctrica y un alto punto de fusión - 3525 0 С. Es capaz de sublimación - sublimación de estado sólido a gaseoso, sin pasar por el estado líquido (a una temperatura de 3700 0 С). La densidad del carbono es de 2,26 g / cm 3, que es mucho más baja que la del diamante. Esto explica sus diferentes propiedades. Debido a la estructura en capas de la red cristalina, es posible utilizar grafito para la fabricación de lápices de mina. Cuando se pasa sobre el papel, las escamas se desprenden y dejan un rastro negro en el papel.
3. Fullerenos. Fueron descubiertos solo en los años 80 del siglo pasado. Son modificaciones en las que los carbonos se combinan en una estructura cerrada convexa especial con un vacío en el centro. Además, la forma del cristal es un poliedro, de la correcta organización. El número de átomos es par. La forma más famosa de fullereno es C 60. Se encontraron muestras de una sustancia similar durante la investigación:

• meteoritos;
• sedimentos del fondo;
• foilgurites;
• shungit;
• espacio exterior, donde estaban contenidos en forma de gases.

Todos los tipos de carbono cristalino son de gran importancia práctica, ya que tienen una serie de propiedades útiles en tecnología.

Actividad quimica

El carbono molecular presenta una baja reactividad debido a su configuración estable. Es posible forzarlo a entrar en reacciones solo impartiendo energía adicional al átomo y obligando a los electrones del nivel externo a evaporarse. En este momento, la valencia se vuelve igual a 4. Por lo tanto, en compuestos tiene un estado de oxidación de + 2, + 4, - 4.

Casi todas las reacciones con sustancias simples, tanto metálicas como no metálicas, se producen bajo la influencia de altas temperaturas. El elemento en cuestión puede ser tanto un agente oxidante como un agente reductor. Sin embargo, estas últimas propiedades son especialmente pronunciadas en él, es en esto que se basa su uso en industrias metalúrgicas y otras.

En general, la capacidad de entrar en interacción química depende de tres factores:

• dispersión de carbono;
• modificación alotrópica;
• temperatura de reacción.

Así, en algunos casos, existe una interacción con las siguientes sustancias:

• no metales (hidrógeno, oxígeno);
• metales (aluminio, hierro, calcio y otros);
• óxidos metálicos y sus sales.

No reacciona con ácidos y álcalis, muy raramente con halógenos. La más importante de las propiedades del carbono es la capacidad de formar largas cadenas entre sí. Pueden cerrarse en un ciclo, formar ramificaciones. Así es como se produce la formación de compuestos orgánicos, que hoy se cuentan por millones. La base de estos compuestos son dos elementos: carbono, hidrógeno. Además, la composición puede incluir otros átomos: oxígeno, nitrógeno, azufre, halógenos, fósforo, metales y otros.

Compuestos básicos y sus características.

Hay muchos compuestos diferentes que contienen carbono. La fórmula del más famoso de ellos es CO 2 - dióxido de carbono. Sin embargo, además de este óxido, también hay monóxido de CO - o monóxido de carbono, así como subóxido de C 3 O 2.

Entre las sales que contienen este elemento, las más habituales son los carbonatos de calcio y magnesio. Entonces, el carbonato de calcio tiene varios sinónimos en el nombre, ya que ocurre en la naturaleza en la forma:

• tiza;
• mármol;
• caliza;
• dolomita.

La importancia de los carbonatos de metales alcalinotérreos se manifiesta en el hecho de que son participantes activos en la formación de estalactitas y estalagmitas, así como de aguas subterráneas.

El ácido carbónico es otro compuesto que forma carbono. Su fórmula es H 2 CO 3. Sin embargo, en su forma habitual, es extremadamente inestable y se descompone inmediatamente en solución en dióxido de carbono y agua. Por tanto, solo se conocen sus sales, y no ella misma, como solución.

Haluros de carbono: se obtienen principalmente de forma indirecta, ya que las síntesis directas tienen lugar solo a temperaturas muy altas y con un bajo rendimiento de producto. Uno de los más comunes es el tetracloruro de carbono CCL 4. Compuesto venenoso que puede causar intoxicación si se inhala. Obtenido por reacciones de sustitución fotoquímica de radicales en metano.

Los carburos metálicos son compuestos de carbono en los que presenta el estado de oxidación 4. También es posible que existan combinaciones con boro y silicio. La propiedad principal de algunos carburos metálicos (aluminio, tungsteno, titanio, niobio, tantalio, hafnio) es su alta resistencia y excelente conductividad eléctrica. El carburo de boro B 4 C es una de las sustancias más duras después del diamante (9,5 según Mohs). Estos compuestos se utilizan en ingeniería, así como en la industria química, como fuentes de hidrocarburos (el carburo de calcio con agua conduce a la formación de acetileno e hidróxido de calcio).

Muchas aleaciones de metales se fabrican con carbono, lo que aumenta significativamente su calidad y características técnicas (el acero es una aleación de hierro con carbono).

Merecen especial atención numerosos compuestos orgánicos de carbono, en los que es un elemento fundamental capaz de combinarse con los mismos átomos en largas cadenas de diversas estructuras. Éstos incluyen:

• alcanos;
• alquenos;
• arenas;
• proteinas;
• carbohidratos
• ácidos nucleicos;
• alcoholes
• ácidos carboxílicos y muchas otras clases de sustancias.

Aplicación de carbono

La importancia de los compuestos de carbono y sus modificaciones alotrópicas en la vida humana es muy grande. Podemos nombrar algunas de las industrias más globales para dejar en claro que este es realmente el caso.

1. Este elemento forma todo tipo de combustible orgánico, del cual una persona recibe energía.
2. La industria metalúrgica utiliza el carbono como un poderoso agente reductor para la producción de metales a partir de sus compuestos. Los carbonatos también se utilizan ampliamente aquí.
3. Las industrias de la construcción y química consumen una gran cantidad de compuestos de carbono para sintetizar nuevas sustancias y obtener los productos necesarios.

También puede nombrar sectores de la economía como:

• industria nuclear;
• producir joyería;
• equipo técnico (lubricantes, crisoles termorresistentes, lápices, etc.);
• determinación de la edad geológica de las rocas: un indicador radiactivo 14 С;
• El carbón es un excelente adsorbente, lo que permite su uso para la fabricación de filtros.

El ciclo en la naturaleza

La masa de carbono que se encuentra en la naturaleza está incluida en un ciclo constante, que ocurre cíclicamente cada segundo en todo el mundo. Así, la fuente atmosférica de carbono, CO 2, es absorbida por las plantas y liberada por todos los seres vivos en el proceso de respiración. Una vez en la atmósfera, se vuelve a absorber, por lo que el ciclo no se detiene. Al mismo tiempo, la extinción de los residuos orgánicos conduce a la liberación de carbono y su acumulación en el suelo, desde donde es absorbido nuevamente por los organismos vivos y liberado a la atmósfera en forma de gas.

Carbón(lat. Carboneum), C, elemento químico del grupo IV del sistema periódico de Mendeleev, número atómico 6, masa atómica 12.011. Hay dos isótopos estables conocidos: 12 C (98,892%) y 13 C (1,108%). El más importante de los isótopos radiactivos es el 14 C con una vida media (T ½ = 5,6 · 10 3 años). Pequeñas cantidades de 14 C (aproximadamente 2 · 10 -10% en masa) se forman constantemente en la atmósfera superior bajo la acción de los neutrones de la radiación cósmica sobre el isótopo de nitrógeno 14 N. Según la actividad específica del isótopo 14 C en los residuos de origen biogénico, se determina su edad. El 14 C se utiliza ampliamente como indicador de isótopos.

Referencia histórica. El carbono se conoce desde la antigüedad. El carbón vegetal se utilizó para recuperar metales de minerales, diamantes, como piedra preciosa. Mucho más tarde, el grafito comenzó a utilizarse para la fabricación de crisoles y lápices.

En 1778, K. Scheele, calentando grafito con salitre, descubrió que en este caso, como al calentar carbón con salitre, se liberaba dióxido de carbono. La composición química del diamante se estableció como resultado de los experimentos de A. Lavoisier (1772) sobre el estudio de la combustión del diamante en el aire y la investigación de S. Tennant (1797), quien demostró que cantidades iguales de diamante y carbón dan igual Cantidades de dióxido de carbono durante la oxidación. El carbono fue reconocido como elemento químico en 1789 por Lavoisier. El nombre latino sagboneum Carbon proviene del carbo - carbón.

Distribución de carbono en la naturaleza. El contenido medio de carbono en la corteza terrestre es 2,3 10 -2% en masa (1 10 -2 en rocas ultrabásicas, 1 10 -2 - en rocas básicas, 2 ácidas). El carbono se acumula en la parte superior de la corteza terrestre (biosfera): en materia viva 18% Carbono, madera 50%, carbón 80%, aceite 85%, antracita 96%. Una parte importante del carbono de la litosfera se concentra en calizas y dolomitas.

El número de minerales propios de Carbono - 112; cantidad extremadamente grande de compuestos orgánicos de carbono - hidrocarburos y sus derivados.

La acumulación de carbono en la corteza terrestre está asociada con la acumulación de muchos otros elementos absorbidos por materia orgánica y precipitados en forma de carbonatos insolubles, etc. El CO 2 y el ácido carbónico juegan un papel geoquímico importante en la corteza terrestre. Una gran cantidad de CO 2 se libera durante el vulcanismo; en la historia de la Tierra, fue la principal fuente de carbono para la biosfera.

En comparación con el contenido medio de la corteza terrestre, la humanidad extrae carbono de las entrañas de la tierra en cantidades excepcionalmente grandes (carbón, petróleo, gas natural), ya que estos fósiles son la principal fuente de energía.

El ciclo del carbono tiene una gran importancia geoquímica.

El carbono también está muy extendido en el espacio; en el Sol ocupa el cuarto lugar después del hidrógeno, el helio y el oxígeno.

Propiedades físicas del carbono. Se conocen varias modificaciones cristalinas del Carbono: grafito, diamante, carbeno, lonsdaleita y otras. El grafito es gris-negro, opaco, aceitoso al tacto, escamoso, masa muy suave con brillo metálico. Construido a partir de cristales de estructura hexagonal: a = 2.462 Å, c = 6.701 Å. A temperatura ambiente y presión normal (0,1 MN / m 2, o 1 kgf / cm 2), el grafito es termodinámicamente estable. El diamante es una sustancia cristalina muy dura. Los cristales tienen una red cúbica centrada en las caras: a = 3.560 Å. A temperatura ambiente y presión normal, el diamante es metaestable. Se observa una transformación notable del diamante en grafito a temperaturas superiores a 1400 ° C en el vacío o en una atmósfera inerte. A presión atmosférica y una temperatura de aproximadamente 3700 ° C, el grafito se sublima. El carbono líquido se puede obtener a presiones superiores a 10,5 MN / m 2 (105 kgf / cm 2) y temperaturas superiores a 3700 ° C. El carbón sólido (coque, hollín, carbón vegetal) también se caracteriza por un estado con una estructura desordenada, el llamado carbón "amorfo", que no representa una modificación independiente; su estructura se basa en la estructura del grafito cristalino fino. Calentar algunas variedades de carbono "amorfo" por encima de 1500-1600 ° C sin acceso al aire provoca su transformación en grafito. Las propiedades físicas del carbono "amorfo" dependen en gran medida del tamaño de las partículas y de la presencia de impurezas. La densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica y conductividad eléctrica del carbono "amorfo" son siempre más altas que el grafito. El carbeno se obtiene artificialmente. Es un polvo negro cristalino fino (densidad 1,9-2 g / cm 3). Construido a partir de largas cadenas de átomos de C apilados en paralelo entre sí. La lonsdaleita se encuentra en meteoritos y se obtiene artificialmente.

Propiedades químicas del carbono. La configuración de la capa externa de electrones de un átomo de carbono es 2s 2 2p 2. El carbono se caracteriza por la formación de cuatro enlaces covalentes debido a la excitación de la capa externa de electrones al estado 2sp 3. Por lo tanto, el carbono es igualmente capaz de atraer y donar electrones. El enlace químico se puede realizar debido a los orbitales sp 3 -, sp 2 - y sp-híbridos, que corresponden a los números de coordinación 4, 3 y 2. El número de electrones de valencia del carbono y el número de orbitales de valencia son los mismos; esta es una de las razones de la estabilidad del enlace entre átomos de carbono.

La capacidad única de los átomos de carbono para combinarse entre sí para formar cadenas y ciclos fuertes y largos ha llevado a la aparición de una gran cantidad de diversos compuestos de carbono estudiados por la química orgánica.

En los compuestos, el carbono presenta un estado de oxidación de -4; +2; +4. Radio atómico 0,77 Å, radios covalentes 0,77 Å, 0,67 Å, ​​0,60 Å, respectivamente, en enlaces simples, dobles y triples; radio iónico de C 4 - 2,60 Å, C 4+ 0,20 Å. En condiciones normales, el carbono es químicamente inerte; a altas temperaturas, se combina con muchos elementos, exhibiendo fuertes propiedades reductoras. La actividad química disminuye en el siguiente orden: "amorfo" Carbono, grafito, diamante; la interacción con el oxígeno atmosférico (combustión) se produce, respectivamente, a temperaturas superiores a 300-500 ° C, 600-700 ° C y 850-1000 ° C con la formación de monóxido de carbono (IV) CO 2 y monóxido de carbono (II) CO.

El CO 2 se disuelve en agua para formar ácido carbónico. En 1906, O. Diels recibió undeóxido de carbono С 3 О 2. Todas las formas de carbono son resistentes a los álcalis y ácidos y se oxidan lentamente solo por oxidantes muy fuertes (mezcla de cromo, una mezcla de HNO 3 concentrado y KClO 3, y otros). El carbono "amorfo" reacciona con el flúor a temperatura ambiente, el grafito y el diamante cuando se calienta. La conexión directa del carbono con el cloro se produce en un arco eléctrico; el carbono no reacciona con el bromo y el yodo; por lo tanto, numerosos haluros de carbono se sintetizan indirectamente. De los oxihaluros de fórmula general COX 2 (donde X es halógeno), el cloróxido COCl (fosgeno) es el más conocido. El hidrógeno no interactúa con el diamante; reacciona con grafito y carbono "amorfo" a altas temperaturas en presencia de catalizadores (Ni, Pt): a 600-1000 ° C, se forma principalmente metano CH 4, a 1500-2000 ° C - acetileno C 2 H 2; también pueden estar presentes otros hidrocarburos en los productos, por ejemplo, etano C 2 H 6, benceno C 6 H 6. La interacción del azufre con el carbono "amorfo" y el grafito comienza a 700-800 ° C, con el diamante a 900-1000 ° C; en todos los casos, se forma disulfuro de carbono CS 2. Otros compuestos de carbono que contienen azufre (tióxido CS, tionedoxido C 3 S 2, dióxido de azufre COS y tiofosgeno CSCl 2) se obtienen indirectamente. Cuando el CS 2 interactúa con los sulfuros metálicos, se forman tiocarbonatos, sales de ácido tiocarbónico débil. La interacción del carbono con el nitrógeno para producir cianógeno (CN) 2 se produce cuando se pasa una descarga eléctrica entre electrodos de carbono en una atmósfera de nitrógeno. Entre los compuestos de carbono que contienen nitrógeno, el cianuro de hidrógeno HCN (ácido cianhídrico) y sus numerosos derivados: cianuros, halocianinas, nitrilos y otros son de gran importancia práctica. A temperaturas superiores a 1000 ° C, el carbono interactúa con muchos metales, dando carburos. Cuando se calienta, todas las formas de carbono reducen los óxidos metálicos para formar metales libres (Zn, Cd, Cu, Pb y otros) o carburos (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC y otros). El carbono reacciona a temperaturas superiores a 600-800 ° C con vapor de agua y dióxido de carbono (gasificación de combustibles). Una característica distintiva del grafito es la capacidad, con un calentamiento moderado hasta 300-400 ° C, de interactuar con metales alcalinos y haluros con la formación de compuestos de inclusión del tipo C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (donde X es halógeno, Me es metal). Compuestos conocidos de inclusión de grafito con HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 y otros (por ejemplo, bisulfato de grafito C 24 SO 4 H 2). Todas las formas de carbono son insolubles en disolventes orgánicos e inorgánicos comunes, pero se disuelven en algunos metales fundidos (por ejemplo, Fe, Ni, Co).

La importancia económica nacional del carbono está determinada por el hecho de que más del 90% de todas las fuentes primarias de energía consumidas en el mundo son combustibles fósiles, cuyo papel principal seguirá siendo en las próximas décadas, a pesar del desarrollo intensivo de la energía nuclear. Solo alrededor del 10% del combustible extraído se utiliza como materia prima para síntesis orgánica básica y síntesis petroquímica, para la producción de plásticos y otros.

Carbono en el cuerpo. El carbono es el elemento biogénico más importante que forma la base de la vida en la Tierra, una unidad estructural de una gran cantidad de compuestos orgánicos que participan en la construcción de organismos y aseguran su actividad vital (biopolímeros, así como numerosas sustancias biológicamente activas de bajo peso molecular - vitaminas, hormonas, mediadores y otros). Una parte importante de la energía necesaria para los organismos se forma en las células debido a la oxidación del carbono. La aparición de la vida en la Tierra se considera en la ciencia moderna como un proceso complejo de evolución de compuestos carbonosos.

El papel único del carbono en la naturaleza viva se debe a sus propiedades, que en conjunto no poseen ningún otro elemento del sistema periódico. Se forman fuertes enlaces químicos entre los átomos de carbono, así como entre el carbono y otros elementos, que, sin embargo, pueden romperse en condiciones fisiológicas relativamente suaves (estos enlaces pueden ser simples, dobles y triples). La capacidad del carbono para formar 4 enlaces de valencia equivalentes con otros átomos de carbono hace posible construir esqueletos de carbono de varios tipos: lineales, ramificados, cíclicos. Es significativo que solo tres elementos, C, O y H, constituyen el 98% de la masa total de organismos vivos. Esto logra una cierta rentabilidad en la naturaleza viva: con una diversidad estructural casi ilimitada de compuestos de carbono, un pequeño número de tipos de enlaces químicos puede reducir significativamente la cantidad de enzimas necesarias para la descomposición y síntesis de sustancias orgánicas. Las características estructurales del átomo de carbono subyacen a varios tipos de isomería de compuestos orgánicos (la capacidad de isomería óptica resultó ser decisiva en la evolución bioquímica de aminoácidos, carbohidratos y algunos alcaloides).

Según la hipótesis generalmente aceptada de A.I. Oparin, los primeros compuestos orgánicos en la Tierra fueron de origen abiogénico. Las fuentes de carbono fueron el metano (CH 4) y el cianuro de hidrógeno (HCN) contenidos en la atmósfera primaria de la Tierra. Con el surgimiento de la vida, la única fuente de carbono inorgánico, debido a la cual se forma toda la materia orgánica de la biosfera, es el monóxido de carbono (IV) (CO 2), que se encuentra en la atmósfera, y también se disuelve en aguas naturales en el forma de HCO 3. El mecanismo más poderoso de asimilación (asimilación) de carbono (en forma de CO 2), la fotosíntesis, lo llevan a cabo en todas partes las plantas verdes (aproximadamente 100 mil millones de toneladas de CO 2 se asimilan anualmente). En la Tierra, existe una forma evolutivamente más antigua de asimilar CO 2 por quimiosíntesis; en este caso, los microorganismos quimiosintéticos no utilizan la energía radiante del sol, sino la energía de oxidación de compuestos inorgánicos. La mayoría de los animales consumen carbono en su dieta en forma de compuestos orgánicos prefabricados. Dependiendo del método de asimilación de compuestos orgánicos, se acostumbra distinguir entre organismos autótrofos y organismos heterótrofos. El uso de microorganismos para la biosíntesis de proteínas y otros nutrientes, utilizando hidrocarburos de petróleo como única fuente de carbono, es uno de los problemas científicos y técnicos modernos más importantes.

El contenido de carbono en los organismos vivos calculado sobre la materia seca es del 34,5 al 40% en las plantas y los animales acuáticos, del 45,4 al 46,5% en las plantas y los animales terrestres y del 54% en las bacterias. En el proceso de vida de los organismos, principalmente debido a la respiración de los tejidos, se produce la descomposición oxidativa de compuestos orgánicos con la liberación de CO 2 al ambiente externo. El carbono también se libera en productos finales metabólicos más complejos. Tras la muerte de animales y plantas, parte del Carbono se vuelve a convertir en CO 2 como resultado de procesos de putrefacción llevados a cabo por microorganismos. Por tanto, el ciclo del carbono ocurre en la naturaleza. Una parte importante del Carbono se mineraliza y forma depósitos de Carbono fósil: carbón, petróleo, piedra caliza y otros. Además de la función principal, una fuente de carbono, СО 2, disuelto en aguas naturales y en fluidos biológicos, participa en el mantenimiento de la acidez del medio ambiente óptima para los procesos de la vida. En la composición de CaCO 3, el carbono forma el esqueleto externo de muchos invertebrados (por ejemplo, conchas de moluscos), y también se encuentra en corales, cáscaras de huevo de aves y otros. Además, en el proceso de evolución biológica, se convirtieron en fuertes antimetabolitos del metabolismo.

Además de los isótopos estables de carbono, el 14 C radiactivo está muy extendido en la naturaleza (contiene aproximadamente 0,1 μcurie en el cuerpo humano). Muchos avances importantes en el estudio del metabolismo y el ciclo del carbono en la naturaleza están asociados con el uso de isótopos de carbono en la investigación biológica y médica. Por lo tanto, utilizando una etiqueta de radiocarbono, se demostró la posibilidad de fijar Н 14 СО 3 por plantas y tejidos animales, se estableció la secuencia de reacciones de fotosíntesis, se estudió el intercambio de aminoácidos, se trazaron las vías de biosíntesis de muchos compuestos biológicamente activos. El uso de 14 С contribuyó al éxito de la biología molecular en el estudio de los mecanismos de biosíntesis de proteínas y transmisión de información hereditaria. La determinación de la actividad específica del 14 C en los residuos orgánicos que contienen carbono permite juzgar su edad, que se utiliza en paleontología y arqueología.

CARBONO, C (a. Carbono; n. Kohlenstoff; f. Carbone; y. Carbono), es un elemento químico del grupo IV del sistema periódico de Mendeleev, número atómico 6, masa atómica 12.041. El carbono natural se compone de una mezcla de 2 isótopos estables: 12 C (98,892%) y 13 C (1,108%). También hay 6 isótopos radiactivos de carbono, de los cuales el más importante es el isótopo 14 C con una vida media de 5.73.10 3 años (este isótopo se forma constantemente en pequeñas cantidades en la atmósfera superior como resultado de la irradiación de 14 N núcleos con neutrones de radiación cósmica).

El carbono se conoce desde la antigüedad. La madera se utilizó para recuperar metales de los minerales, mientras que el diamante se utilizó como. El reconocimiento del carbono como elemento químico está asociado con el nombre del químico francés A. Lavoisier (1789).

Modificaciones y propiedades del carbono.

Hay 4 modificaciones cristalinas conocidas del carbono: grafito, diamante, carbeno y lonsdaleita, que difieren mucho en sus propiedades. El carbeno es un tipo de carbono obtenido artificialmente, que es un polvo negro cristalino fino, cuya estructura cristalina se caracteriza por la presencia de largas cadenas de átomos de carbono ubicados paralelos entre sí. Densidad 3230-3300 kg / m 3, capacidad calorífica 11,52 J / mol.K. Lonsdaleita encontrada en meteoritos y obtenida artificialmente; su estructura y propiedades físicas no se han establecido definitivamente. El carbono también se caracteriza por un estado con una estructura desordenada, el llamado. Carbón amorfo (hollín, coque, carbón vegetal). Las propiedades físicas del carbono "amorfo" dependen en gran medida del tamaño de partícula y de la presencia de impurezas.

Propiedades químicas del carbono

En los compuestos, el carbono tiene estados de oxidación de +4 (el más común), +2 y +3. En condiciones normales, el carbono es químicamente inerte; a altas temperaturas se combina con muchos elementos, exhibiendo fuertes propiedades reductoras. La actividad química del carbono disminuye en la serie "amorfo" carbono, grafito, diamante; la interacción con el oxígeno atmosférico en estos tipos de carbono se produce, respectivamente, a temperaturas de 300-500 ° C, 600-700 ° C y 850-1000 ° C con la formación de dióxido de carbono (CO 2) y monóxido (CO) de carbono. El dióxido se disuelve en agua para formar ácido carbónico. Todas las formas de carbono son resistentes a los álcalis y los ácidos. El carbono prácticamente no interactúa con los halógenos (a excepción del grafito, que reacciona con F 2 por encima de 900 ° C), por lo que sus halogenuros se obtienen de forma indirecta. El cianuro de hidrógeno HCN (ácido cianhídrico) y sus numerosos derivados son de gran importancia práctica entre los compuestos que contienen nitrógeno. A temperaturas superiores a 1000 ° C, el carbono interactúa con muchos metales para formar carburos. Todas las formas de carbono son insolubles en disolventes orgánicos e inorgánicos comunes.

La propiedad más importante del carbono es la capacidad de sus átomos para formar fuertes enlaces químicos entre ellos, así como entre ellos y otros elementos. La capacidad del carbono para formar 4 enlaces de valencia equivalentes con otros átomos de carbono hace posible construir esqueletos de carbono de varios tipos (lineales, ramificados, cíclicos); Son estas propiedades las que explican el papel excepcional del carbono en la estructura de todos los compuestos orgánicos y, en particular, de todos los organismos vivos.

Carbono en la naturaleza

El contenido medio de carbono en la corteza terrestre es del 2,3,10% (en masa); la mayor parte del carbono se concentra en rocas sedimentarias (1%), mientras que en otras rocas hay concentraciones significativamente menores y aproximadamente iguales (1-3,10%) de este elemento. El carbono se acumula en la parte superior, donde su presencia se asocia principalmente a materia viva (18%), madera (50%), carbón (80%), aceite (85%), antracita (96%), así como dolomitas y calizas. Se conocen más de 100 minerales de carbono, de los cuales los más comunes son los carbonatos de calcio, magnesio y hierro (calcita CaCO 3, dolomita (Ca, Mg) CO 3 y siderita FeCO 3). La acumulación de carbono en la corteza terrestre a menudo se asocia con la acumulación de otros elementos absorbidos por la materia orgánica y depositados después de su enterramiento en el fondo de los cuerpos de agua en forma de compuestos insolubles. Grandes cantidades de dióxido de CO 2 se liberan a la atmósfera desde la Tierra durante la actividad volcánica y durante la combustión de combustibles orgánicos. De la atmósfera, el CO 2 es asimilado por las plantas en el proceso de fotosíntesis y se disuelve en el agua de mar, constituyendo así los eslabones más importantes del ciclo general del carbono en la Tierra. El carbono también juega un papel importante en el espacio; En el Sol, el carbono es el cuarto más abundante después del hidrógeno, el helio y el oxígeno, participando en los procesos nucleares.

Aplicación y uso

La importancia económica nacional más importante del carbono está determinada por el hecho de que alrededor del 90% de todas las fuentes de energía primaria consumidas por los seres humanos son combustibles fósiles. Existe una tendencia a utilizar el petróleo no como combustible, sino como materia prima para diversas industrias químicas. El carbono producido en forma de carbonatos (metalurgia, construcción, producción química), diamantes (joyería, electrodomésticos) y grafito (tecnología nuclear, crisoles resistentes al calor, lápices, etc.) desempeña un papel menor, pero sin embargo muy significativo en la economía nacional, en la economía nacional. algunos tipos de lubricantes, etc. etc.). Según la actividad específica del isótopo 14 C en los residuos de origen biogénico, se determina su edad (datación por radiocarbono). El 14 C se utiliza ampliamente como indicador radiactivo. El isótopo 12 C más común es de gran importancia: una doceava parte de la masa de un átomo de este isótopo se toma como una unidad de masa atómica de elementos químicos.

El carbono (del latín: carbo "carbón") es un elemento químico con el símbolo C y número atómico 6. Hay cuatro electrones disponibles para formar enlaces químicos covalentes. La sustancia es tetravalente y no metálica. Tres isótopos de carbono se producen de forma natural, el 12C y el 13C son estables, y el 14C es un isótopo radiactivo que se desintegra con una vida media de aproximadamente 5730 años. El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad. 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, la variedad única de sus compuestos orgánicos y su capacidad inusual para formar polímeros a temperaturas que se encuentran comúnmente en la Tierra, permiten que este elemento sirva como un elemento común para todas las formas de vida conocidas. Es el segundo elemento más abundante en peso en el cuerpo humano (alrededor del 18,5%) después del oxígeno. Los átomos de carbono pueden unirse de diferentes formas, llamadas alótropos de carbono. Los alótropos más famosos son el grafito, el diamante y el carbono amorfo. Las propiedades físicas del carbono varían ampliamente según 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 más duro conocido en la naturaleza. El grafito es un buen conductor eléctrico, mientras que el diamante tiene baja conductividad eléctrica. En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen la conductividad térmica más alta de todos los materiales conocidos. Todos los alótropos de carbono son sólidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma más termodinámicamente estable. Son químicamente estables y requieren altas temperaturas para reaccionar incluso con oxígeno. El estado de oxidación más común del carbono en los compuestos inorgánicos es +4 y +2 en los complejos carboxílicos de monóxido de carbono y un metal de transición. Las fuentes más importantes de carbono inorgánico son la piedra caliza, la dolomita y el dióxido de carbono, pero cantidades importantes provienen de depósitos orgánicos de carbón, turba, aceite y clatratos de metanato. El carbono forma una gran cantidad de compuestos, más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha y, sin embargo, este número es solo una fracción del número de compuestos teóricamente posibles en condiciones estándar. Por esta razón, al carbono se le llama a menudo el "rey de los elementos".

Especificaciones

Los alótropos del carbono incluyen el grafito, una de las sustancias más blandas conocidas, y el diamante, la sustancia natural más dura. El carbono se une fácilmente a otros átomos pequeños, incluidos otros átomos de carbono, y es capaz de formar numerosos enlaces covalentes estables con átomos multivalentes adecuados. Se sabe que el carbono forma cerca de diez millones de compuestos diferentes, la gran mayoría de todos los compuestos químicos. 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 triple es 10,8 ± 0,2 MPa y 4600 ± 300 K (~ 4330 ° C o 7820 ° F), por lo que se sublima a unos 3900 K. El grafito es mucho más reactivo que 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 C6 (CO2H) 6, que retiene las unidades hexagonales del grafito mientras rompe la estructura más grande. El carbono se sublima en un arco de carbono a una temperatura de aproximadamente 5800 K (5.530 ° C, 9.980 ° F). Por lo tanto, independientemente de su forma alotrópica, el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que los puntos de fusión más altos, como el tungsteno o el renio. Aunque termodinámicamente propenso a la oxidación, el carbono es más resistente a la oxidación que elementos como el hierro y el cobre, que son agentes reductores más débiles a temperatura ambiente. El carbono es el sexto elemento con la configuración electrónica del estado fundamental 1s22s22p2, de los cuales cuatro electrones externos son electrones de valencia. Sus primeras cuatro energías de ionización son 1086.5, 2352.6, 4620.5 y 6222.7 kJ / mol, mucho más alta que la de los elementos más pesados ​​del grupo 14. La electronegatividad del carbono es 2.5, que es significativamente más alta que la de los elementos más pesados ​​del grupo 14 ( 1.8-1.9), pero está cerca de la mayoría de los no metales vecinos, así como de algunos metales de transición de la segunda y tercera fila. Los radios covalentes de carbono se aceptan generalmente como 77,2 pm (CC), 66,7 pm (C = C) y 60,3 pm (C≡C), aunque pueden variar según el número de coordinación y con qué está asociado. Carbono. En general, el radio covalente disminuye al disminuir el número de coordinación y aumentar el orden de enlace. 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 liberada por el Sol y otras estrellas. Aunque el carbono forma una variedad extraordinaria de compuestos, la mayoría de las formas de carbono son relativamente poco reactivas en condiciones normales. A temperaturas y presiones estándar, el carbono resistirá todos los oxidantes menos los más potentes. No reacciona con ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, cloro o álcalis. A temperaturas elevadas, el carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono y elimina el oxígeno de los óxidos metálicos, dejando un 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:

Fe3О4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

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

C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)

El carbono se combina con ciertos 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 hacer puntas duras para herramientas de corte. El sistema alótropo de carbono cubre una serie de extremos:

Algunos tipos de grafito se utilizan para aislamiento térmico (por ejemplo, cortafuegos y escudos térmicos), pero algunas otras formas son buenos conductores térmicos. El diamante es el conductor de calor natural más famoso. El grafito es opaco. El diamante es muy transparente. El grafito cristaliza en un sistema hexagonal. El diamante cristaliza en un sistema cúbico. El carbono amorfo es completamente isótropo. Los nanotubos de carbono se encuentran entre los materiales anisotrópicos más conocidos.

Alótropos de carbono

El carbono atómico es una especie de vida muy corta y, por lo tanto, el carbono se estabiliza en varias estructuras poliatómicas con diferentes configuraciones moleculares llamadas alótropos. Tres alótropos de carbono relativamente conocidos son el carbono amorfo, el grafito y el diamante. Los fullerenos, que antes se consideraban exóticos, ahora se sintetizan y utilizan comúnmente en la investigación; estos incluyen buckyballs, nanotubos de carbono, nanotubos de carbono y nanofibras. También se han descubierto varios otros alótropos exóticos, como lonsaletita, carbono vítreo, nanofaum de carbono y carbono acetileno lineal (carbino). A partir de 2009, el grafeno se considera el material más poderoso jamás probado. El proceso de separarlo del grafito requerirá un mayor desarrollo tecnológico antes de que sea económico para los procesos industriales. Si tiene éxito, el grafeno podría usarse en la construcción de ascensores espaciales. También se puede utilizar para almacenar de forma segura hidrógeno para su uso en motores a base de hidrógeno en automóviles. Una forma amorfa es un conjunto de átomos de carbono en un estado vítreo, irregular, no cristalino, y no está contenido en una macroestructura cristalina. Está presente en forma de polvo y es el componente principal de sustancias como el carbón vegetal, el hollín de lámpara (hollín) y el carbón activado. A presiones normales, el carbono tiene la forma de grafito, en el que cada átomo está unido trigonalmente por otros tres átomos en un plano compuesto de anillos hexagonales fusionados, como en los hidrocarburos aromáticos. La red resultante es bidimensional, y las hojas planas resultantes se doblan y conectan de manera suelta a través de fuerzas débiles de van der Waals. Esto le da al grafito su suavidad y propiedades de división (las hojas se deslizan fácilmente una tras otra). 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 más baja para el carbono que la mayoría de los metales. La deslocalización también explica la estabilidad energética del grafito sobre el diamante a temperatura ambiente. A presiones muy altas, el carbono forma un alótropo más compacto, el diamante, que es casi dos veces más denso que el grafito. Aquí, cada átomo está conectado tetraédricamente a otros cuatro, formando una red tridimensional de anillos de átomos arrugados de seis miembros. El diamante tiene la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio, y debido a la fuerza de sus enlaces carbono-carbono, es la sustancia natural más dura del mundo, medida por su resistencia al rayado. Contrariamente a la creencia popular de que "los diamantes son para siempre", son termodinámicamente inestables en condiciones normales y se convierten en grafito. Debido a la barrera de alta energía para la activación, la transición a la forma de grafito es tan lenta a temperaturas normales que es invisible. Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsaleita, una red cristalina hexagonal con todos los átomos unidos covalentemente y propiedades similares a las del diamante. Los fullerenos son una formación cristalina sintética con una estructura similar al grafito, pero en lugar de hexágonos, los fullerenos están compuestos por pentágonos (o incluso heptágonos) de átomos de carbono. Los átomos faltantes (o adicionales) deforman las hojas en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (divididos en buckyballs, bakitubas y nanobads) aún no se han analizado completamente y representan un área intensiva de investigación en nanomateriales. Los nombres "fullereno" y "buckyball" están asociados con el nombre de Richard Buckminster Fuller, popularizador de cúpulas geodésicas que se asemejan a la estructura de los fullerenos. Las buckybolas son moléculas bastante grandes formadas completamente a partir de enlaces de carbono trigonalmente para formar esferoides (el más famoso y simple es Baxinisterfellerene C60 con la forma de un balón de fútbol). Los nanotubos de carbono son estructuralmente similares a las buckybolas, excepto que cada átomo está unido trigonalmente en una hoja curva que forma un cilindro hueco. Los nanobads se introdujeron por primera vez en 2007 y son materiales híbridos (las buckybolas están unidas covalentemente a la pared exterior de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una estructura. De los otros alótropos encontrados, la nanoespuma de carbono es un alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Consiste en un grupo de átomos de carbono de baja densidad unidos en una red tridimensional suelta en la que los átomos están unidos trigonalmente en anillos de seis y siete miembros. Es uno de los sólidos más ligeros con una densidad de aproximadamente 2 kg / m3. Asimismo, el carbono vítreo contiene una alta proporción de porosidad cerrada, pero a diferencia del grafito convencional, las capas de grafito no están apiladas como las páginas de un libro, sino que están dispuestas de forma más aleatoria. El carbono acetileno lineal tiene una estructura química - (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 cuarenta veces mayor que el del material más duro, el diamante. En 2015, un equipo de la Universidad de Carolina del Norte anunció el desarrollo de otro alótropo, al que llamaron 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 dureza superior a los diamantes.

Predominio

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el Universo en masa después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. El carbono es abundante en el sol, las estrellas, los cometas y las atmósferas de la mayoría de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar aún era un disco protoplanetario. Los diamantes microscópicos también pueden formarse bajo presión intensa y alta temperatura en áreas de impacto de meteoritos. En 2014, la NASA anunció una base de datos actualizada para rastrear los 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. Estos compuestos figuran en la hipótesis global de PAH, donde presumiblemente juegan un papel en la abiogénesis y la formación de vida. Parece que los PAH se formaron “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. Se estima que la capa sólida de la tierra contiene 730 ppm de carbono en total, con 2,000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza combinados. Dado que la masa de la Tierra es 5.9 72 × 1024 kg, esto significaría 4360 millones de gigatoneladas de carbono. Esto es mucho más que la cantidad de carbono en los océanos o la atmósfera (abajo). Cuando se combina con oxígeno en dióxido de carbono, el carbono se encuentra en la atmósfera de la Tierra (aproximadamente 810 gigatoneladas de carbono) y se disuelve en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36,000 gigatoneladas de carbono). La biosfera contiene alrededor de 1900 gigatoneladas de carbono. Los hidrocarburos (como el carbón, el petróleo y el gas natural) también contienen carbono. Las “reservas” de carbón (no los “recursos”) rondan las 900 gigatoneladas con posiblemente 18 000 Gt de recursos. Las reservas de petróleo son de unas 150 gigatoneladas. Las fuentes probadas de gas natural son alrededor de 175 1012 metros cúbicos (que contienen alrededor de 105 gigatoneladas de carbono), pero los estudios han estimado otros 900 1012 metros cúbicos de depósitos "no convencionales" como el gas de esquisto, que son aproximadamente 540 gigatoneladas de carbono. También se ha encontrado carbono en hidratos de metano en las regiones polares y bajo los mares. Según diversas estimaciones, la cantidad de este carbono es de 500, 2500 Gt o 3000 Gt. En el pasado, la cantidad de hidrocarburos era mayor. Según una fuente, entre 1751 y 2008, alrededor de 347 gigatoneladas de carbono se liberaron a la atmósfera como dióxido de carbono a la atmósfera a partir de la quema de combustibles fósiles. Otra fuente agrega la cantidad agregada a la atmósfera entre 1750 y 879 Gt, y el total en la atmósfera, el mar y la tierra (por ejemplo, turberas) es de casi 2.000 Gt. El carbono es parte constituyente (12% en masa) de masas muy grandes de rocas carbonatadas (calizas, dolomitas, mármoles, etc.). El carbón contiene una cantidad muy alta de carbono (la antracita contiene 92-98% de carbono) y es la mayor fuente comercial de carbono mineral, representando 4.000 gigatoneladas o el 80% de los combustibles fósiles. En términos de alótropos de carbono individuales, el grafito se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos (principalmente Nueva York y Texas), Rusia, México, Groenlandia e India. Los diamantes naturales se encuentran en la kimberlita rocosa contenida en antiguos "cuellos" o "tuberías" volcánicas. La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África, especialmente 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 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 ahora se produce alrededor del 30% de todos los diamantes industriales que se utilizan en los Estados Unidos. El carbono 14 se forma en la troposfera superior y la estratosfera a altitudes de 9 a 15 km en una reacción que es precipitada por los rayos cósmicos. Se producen neutrones térmicos que chocan con los núcleos de nitrógeno 14 para formar carbono 14 y un protón. Por tanto, el 1,2 x 1010% del dióxido de carbono atmosférico contiene carbono-14. Los asteroides ricos en carbono son relativamente dominantes en las partes externas del cinturón de asteroides de nuestro sistema solar. Estos asteroides aún no han sido investigados directamente por los científicos. Los asteroides se pueden usar en la minería de carbón hipotética basada en el espacio, lo que puede ser posible en el futuro, pero actualmente es tecnológicamente imposible.

Isótopos de carbono

Los isótopos de carbono son núcleos atómicos que contienen seis protones más una variedad de neutrones (2 a 16). El carbono tiene dos isótopos naturales estables. El isótopo carbono-12 (12C) forma el 98,93% del carbono de la tierra y el carbono 13 (13C) forma el 1,07% restante. La concentración de 12C aumenta aún más en materiales biológicos, porque las reacciones bioquímicas discriminan al 13C. En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el carbono-12 isotópico como base para los pesos atómicos. La identificación de carbono en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) se lleva a cabo con el isótopo 13C. El carbono-14 (14C) es un radioisótopo natural creado en la atmósfera superior (estratosfera inferior y troposfera superior) por la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos. Se encuentra en trazas en la Tierra en cantidades de hasta 1 parte por billón (0,0000000001%), principalmente en la atmósfera y los sedimentos superficiales, en particular turba y otros materiales orgánicos. Este isótopo decae durante la emisión β de 0,158 MeV. Debido a su vida media relativamente corta, 5730 años, el 14C está prácticamente ausente en las rocas antiguas. En la atmósfera y en los organismos vivos, la cantidad de 14C es casi constante, pero disminuye en los organismos después de la muerte. Este principio se utiliza en la datación por radiocarbono, inventada en 1949, que se utilizó ampliamente para determinar la edad de materiales carbonosos hasta 40.000 años. Hay 15 isótopos de carbono conocidos y el más corto de ellos tiene 8C, que se desintegra debido a la emisión de protones y la desintegración alfa y tiene una vida media de 1,98739 × 10-21 s. El 19C exótico exhibe un halo nuclear, lo que significa que su radio es significativamente mayor de lo que se esperaría si el núcleo fuera una esfera de densidad constante.

Educación estrella

La formación de un núcleo de carbono atómico requiere una triple colisión casi simultánea de partículas alfa (núcleos de helio) dentro del núcleo de una estrella gigante o supergigante, lo que se conoce como un proceso triple alfa, ya que los productos de una mayor fusión nuclear de helio con hidrógeno u otro núcleo de helio produce litio-5 y berilio -8 respectivamente, los cuales son muy inestables y se descomponen en núcleos más pequeños casi instantáneamente. Esto ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 megacalvin y concentración de helio, lo cual es inaceptable en las condiciones de rápida expansión y enfriamiento del Universo temprano y, por lo tanto, no se crearon cantidades significativas de carbono durante el Big Bang. Según la teoría moderna de la cosmología física, el carbono se forma dentro de las estrellas en una rama horizontal a través de la colisión y transformación de tres núcleos de helio. Cuando estas estrellas mueren como una supernova, el carbono se dispersa en el espacio en forma de polvo. Este polvo se convierte en un material constituyente para la formación de sistemas estelares de segunda o tercera generación con planetas acumulados. El sistema solar es uno de esos sistemas estelares con abundancia de carbono, lo que permite la vida tal como la conocemos. El ciclo CNO es un mecanismo de fusión adicional que impulsa las estrellas, donde el carbono actúa como catalizador. Las transiciones rotacionales de diferentes formas isotópicas de monóxido de carbono (por ejemplo, 12CO, 13CO y 18CO) se encuentran en el rango de longitud de onda submilimétrica y se utilizan en el estudio de estrellas recién formadas en nubes moleculares.

Ciclo del carbono

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento en otro es un fenómeno muy raro. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es efectivamente constante. Por lo tanto, en los procesos que usan carbono, debe provenir de algún lugar y desecharse en otro lugar. Las rutas 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, el 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 mucho más complejo que este ciclo corto; por ejemplo, algo de dióxido de carbono se disuelve en los océanos; si las bacterias no lo absorben, la materia vegetal o animal muerta puede convertirse en petróleo o carbón, que libera carbón cuando se quema.

Compuestos de carbono

El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados, una propiedad llamada formación de cadenas. Los enlaces carbono-carbono son estables. A través de la catanización (formación de cadenas), el carbono forma innumerables compuestos. La evaluación de compuestos únicos muestra que muchos de ellos contienen carbono. Se puede hacer una afirmación similar para el hidrógeno porque la mayoría de los compuestos orgánicos también contienen hidrógeno. La forma más simple de una molécula orgánica es un hidrocarburo, una gran familia de moléculas orgánicas que están formadas por átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. La longitud de la cadena, las cadenas laterales y los grupos funcionales afectan las propiedades de las moléculas orgánicas. El carbono se encuentra en todas las formas de vida orgánica conocidas y es la base de la química orgánica. Cuando se combina con hidrógeno, el carbono forma varios hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, disolventes, materias primas químicas para plásticos y productos derivados del petróleo, y como combustibles fósiles. Cuando se combina con oxígeno e hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes, incluidos azúcares, lignanos, quitinas, alcoholes, grasas y ésteres aromáticos, carotenoides y terpenos. Con el nitrógeno, el carbono 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, portadores del código químico de la vida, y trifosfato de adenosina (ATP), la molécula de transporte de energía más importante en todas las células vivas.

Compuestos inorgánicos

Por lo general, los compuestos que contienen carbono que están unidos a minerales o que no contienen hidrógeno o flúor se tratan por separado de los compuestos orgánicos clásicos; esta definición no es estricta. Entre ellos se encuentran los óxidos de carbono simples. El óxido más conocido es el dióxido de carbono (CO2). Una vez esta sustancia fue el componente principal de la paleoatmosfera, pero hoy es un componente menor de la atmósfera de la Tierra. Cuando se disuelve en agua, esta sustancia forma dióxido de carbono (H2CO3), pero, como la mayoría de los compuestos con varios oxígeno conectados individualmente en un carbono, es inestable. Sin embargo, a través de este intermedio se forman iones carbonato estabilizados resonantes. Algunos minerales importantes son los carbonatos, especialmente las calcitas. El disulfuro de carbono (CS2) es similar. Otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Está formado por una combustión incompleta y es un gas incoloro e inodoro. Cada molécula contiene un triple enlace y es bastante polar, lo que hace que se una constantemente a las moléculas de hemoglobina, desplazando al oxígeno, que tiene una menor afinidad de unión. El cianuro (CN-) tiene una estructura similar pero se comporta como un ion haluro (pseudohalógeno). Por ejemplo, puede formar una molécula de nitruro de cianógeno (CN) 2) similar a los haluros de diatomeas. Otros óxidos inusuales son el subóxido de carbono (C3O2), el monóxido de carbono inestable (C2O), el trióxido de carbono (CO3), la ciclopentanepeptona (C5O5), la ciclohexanexona (C6O6) y el anhídrido melítico (C12O9). Con metales reactivos como el tungsteno, el carbono forma carburos (C4-) 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 prefiere formar enlaces covalentes. Varios carburos son redes covalentes como el carborundo (SiC), que se asemeja al diamante. Sin embargo, incluso los carburos más polares y salados no son compuestos completamente iónicos.

Compuestos organometálicos

Los compuestos organometálicos, por definición, contienen al menos un enlace carbono-metal. Existe una amplia variedad de tales compuestos; las clases principales incluyen compuestos de alquilmetal simple (por ejemplo, tetraetilelida), 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. Hay muchos carbonilos metálicos (por ejemplo, tetracarbonilníquel); algunos trabajadores creen que el ligando de monóxido de carbono es un compuesto puramente inorgánico, en lugar de organometálico. Si bien se cree que el carbono forma exclusivamente cuatro enlaces, se ha informado de un compuesto interesante que contiene un átomo de carbono octaédrico hexacoordinado. El catión de este compuesto es 2+. Este fenómeno se explica por la aurofilia de los ligandos de oro. En 2016, se confirmó que el hexametilbenceno contiene un átomo de carbono con seis enlaces y no los cuatro habituales.

Historia y etimología

El nombre en inglés de carbono (carbon) proviene del latín carbo, que significa "carbón" y "carbón", de ahí la palabra francesa charbon, que significa "carbón". En alemán, holandés y danés, los nombres de carbono son Kohlenstoff, koolstof y kulstof respectivamente, todos literalmente significando carbón. El carbono se descubrió en tiempos prehistóricos y se conocía en forma de hollín y carbón vegetal en las primeras civilizaciones humanas. Los diamantes probablemente ya se conocían ya en el 2500 a. C. en China, y el carbón en forma de carbón vegetal se fabricaba en la época romana con la misma química que en la actualidad, calentando madera en una pirámide cubierta con arcilla para excluir el aire. En 1722, René Antoine Fercho de Réamour demostró que el hierro se convierte en acero mediante la absorción de una sustancia ahora conocida como carbono. En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón vegetal y diamante y descubrió que ninguno producía agua y que ambas sustancias liberaban una cantidad igual de dióxido de carbono por gramo. En 1779, Karl Wilhelm Scheele demostró que el grafito, que se pensaba que era una forma de plomo, era idéntico al carbón vegetal, pero con una pequeña cantidad de hierro, y que producía "aire ácido" (que es dióxido de carbono) cuando se oxida con ácido nítrico. ácido. En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge y C.A. Vandermond confirmaron que el grafito era principalmente carbono, oxidado en oxígeno de la misma manera que lo hizo Lavoisier con el diamante. De nuevo quedaba una cierta cantidad de hierro que, según los científicos franceses, era necesaria para la estructura del grafito. En su publicación, propusieron el nombre carbone (la palabra latina para carbonum) para un elemento en el grafito que se liberaba como gas cuando se quemaba el grafito. Antoine Lavoisier luego enumeró el carbono como un elemento en su libro de texto de 1789. Un nuevo alótropo de carbono, el fullereno, que se descubrió en 1985, incluye formas nanoestructurales como bolas traseras y nanotubos. Sus pioneros, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley, recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. El renovado interés resultante en nuevas formas conduce al descubrimiento de alótropos exóticos adicionales, incluido el carbono vítreo, y la comprensión de que el "carbono amorfo" no es estrictamente amorfo.

Producción

Grafito

Los depósitos naturales de grafito comercialmente viables se encuentran en muchas partes del mundo, pero las fuentes económicamente más importantes se encuentran en China, India, Brasil y Corea del Norte. Los depósitos de grafito son de origen metamórfico, se encuentran en combinación con cuarzo, mica y feldespatos en lutitas, gneis y areniscas y calizas metamorfoseadas en forma de lentes o vetas, a veces de varios metros o más de espesor. Las existencias de grafito en Borrowdale, Cumberland, Inglaterra tenían inicialmente un tamaño y una pureza suficientes, por lo que, hasta el siglo XIX, los lápices se fabricaban simplemente cortando bloques de grafito natural en tiras antes de pegar las tiras en la madera. Hoy en día, se producen depósitos más pequeños de grafito al triturar la roca madre y hacer flotar el grafito más ligero en el agua. Hay tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas o cristalino. El grafito amorfo es de la más baja calidad y es el más abundante. A diferencia de la ciencia, en la industria, "amorfo" se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño, en lugar de una ausencia total de una estructura cristalina. La palabra "amorfo" se utiliza para productos con poca cantidad de grafito y es el grafito más barato. Se encuentran grandes depósitos de grafito amorfo en China, Europa, México y Estados Unidos. El grafito plano es menos común y de mayor calidad que el grafito amorfo; parece placas separadas que cristalizan en rocas metamórficas. El precio del grafito granular puede ser cuatro veces superior al precio del amorfo. El grafito en copos de buena calidad se puede procesar en grafito expandible para muchas aplicaciones, como retardadores de llama. Los depósitos primarios de grafito se encuentran en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. El grafito líquido o grumoso es el tipo de grafito natural más raro, más valioso y de la más alta calidad. Se encuentra en venas a lo largo de contactos intrusivos en terrones sólidos y solo se extrae comercialmente en Sri Lanka. Según el USGS, la producción mundial de grafito natural en 2010 fue de 1,1 millones de toneladas, con 800.000 toneladas en China, 130.000 toneladas en India, 76.000 toneladas en Brasil, 30.000 toneladas en Corea del Norte y Canadá 25.000 toneladas. No se extrajo grafito natural en los Estados Unidos, pero en 2009 se extrajeron 118.000 toneladas de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones de dólares EE.UU.

Diamante

El suministro de diamantes está controlado por un número limitado de empresas y también está muy concentrado en un pequeño número de lugares en todo el mundo. Solo una fracción muy pequeña del mineral de diamante está formada por diamantes reales. El mineral se tritura, durante el cual es necesario tomar medidas para evitar la destrucción de diamantes grandes en este proceso, y luego las partículas se clasifican por densidad. Hoy en día, los diamantes se extraen en la fracción rica en diamantes utilizando fluorescencia de rayos X, después de lo cual los pasos finales de clasificación se realizan manualmente. Antes de la difusión del uso de rayos X, la separación se realizaba con correas lubricantes; se sabe que los diamantes se encontraron solo en depósitos aluviales en el sur de la India. Se sabe que los diamantes son más propensos a adherirse a la masa que otros minerales del mineral. India fue el líder en la producción de diamantes desde su descubrimiento alrededor del siglo IX a.C. hasta mediados del siglo XVIII d.C., pero el potencial comercial de estas fuentes se agotó a fines del siglo XVIII, y para entonces India fue eclipsada por Brasil, donde Los primeros diamantes se encontraron en 1725. La producción de diamantes de depósitos primarios (kimberlitas y lamproitas) comenzó solo en la década de 1870, después del descubrimiento de depósitos de diamantes en Sudáfrica. La producción de diamantes ha aumentado con el tiempo, con solo 4.500 millones de quilates acumulados desde esa fecha. Aproximadamente el 20% de esta cantidad se ha extraído solo en los últimos 5 años, y durante los últimos diez años, 9 nuevos depósitos han comenzado a producir y 4 más están esperando su inminente descubrimiento. La mayoría de estos depósitos se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola y uno en Rusia. En los Estados Unidos, se han encontrado diamantes en Arkansas, Colorado y Montana. En 2004, el sorprendente descubrimiento de un diamante microscópico en los Estados Unidos condujo al lanzamiento en enero de 2008 de una muestra masiva de tuberías de kimberlita en la remota Montana. En la actualidad, la mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encuentran en Rusia, Botswana, Australia y la República Democrática del Congo. En 2005, Rusia produjo casi una quinta parte de los diamantes del mundo, según el Servicio Geológico Británico. En Australia, la tubería diamantada más rica alcanzó niveles máximos de producción de 42 toneladas métricas (41 toneladas, 46 toneladas cortas) por año en la década de 1990. También hay campos comerciales, cuya producción activa se lleva a cabo en los Territorios del Noroeste de Canadá, Siberia (principalmente en Yakutia, por ejemplo, en la tubería Mir y en la tubería Udachnaya), en Brasil, así como en el Norte y El oeste de Australia.

Aplicaciones

El carbono es esencial para todos los sistemas vivos conocidos. Sin él, la existencia de la vida, tal como la conocemos, es imposible. Los principales usos económicos del carbono, además de los alimentos y la madera, son los hidrocarburos, principalmente los combustibles fósiles, el gas metano y el petróleo crudo. Las refinerías procesan el petróleo crudo 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 utiliza principalmente para mantener la estructura de las plantas. Los polímeros de carbono animal comercialmente valiosos incluyen lana, cachemira y seda. Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incorporados a intervalos regulares en la estructura del polímero. La materia prima para muchos de estos sintéticos proviene del petróleo crudo. El uso del carbono y sus compuestos es extremadamente variado. El carbono puede formar aleaciones con el hierro, la más común de las cuales es el acero al carbono. El grafito se combina con las 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 galvanoplastia y galvanoplastia, en cepillos para motores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares. El carbón se utiliza como material para obras de arte, como parrilla de barbacoa, para fundir hierro y tiene muchos otros usos. La madera, el carbón y el petróleo se utilizan como combustibles para la producción de energía y para la calefacción. Los diamantes de alta calidad se utilizan en la fabricación de joyas, mientras que los diamantes industriales se utilizan para taladrar, cortar y pulir herramientas para trabajar 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 para formar compuestos avanzados y livianos. La fibra de carbono se fabrica mediante pirólisis de filamentos de poliacrilonitrilo (PAN) extruidos y estirados y otros compuestos orgánicos. La estructura cristalina 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 hebras estrechas de grafito, pero el tratamiento térmico puede reordenar la estructura en una hoja continua. Como resultado, las fibras tienen una mayor resistencia a la tracción que el acero. El negro de carbón se utiliza como pigmento negro en tintas de impresión, pinturas al óleo y acuarelas para artistas, papel carbón, recortes de automóviles, tintas e impresoras láser. El negro de carbón también se utiliza como relleno en productos de caucho como neumáticos y juntas de plástico. El carbón activado se utiliza como absorbente y adsorbente en medios filtrantes en aplicaciones tan diversas como máscaras de gas, purificación de agua y campanas extractoras, así como 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 reducir el mineral de hierro a hierro (fundición). La solidificación del acero se logra calentando los componentes de acero terminados en polvo de carbón. Los carburos de silicio, tungsteno, boro y titanio se encuentran entre los materiales más duros y se utilizan como abrasivos para cortar y esmerilar. Los compuestos de carbono constituyen la mayoría de los materiales utilizados en la ropa, como los textiles y el cuero naturales y sintéticos, y casi todas las superficies interiores en entornos distintos al vidrio, la piedra y el metal.

Diamantes

La industria del diamante se divide en dos categorías, una de las cuales son diamantes de alta calidad (piedras preciosas) y la otra son diamantes de grado industrial. Si bien existe mucho comercio de ambos tipos de diamantes, ambos mercados operan de formas muy diferentes. A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino, los diamantes de piedras preciosas no se comercializan como una mercancía: existe una prima significativa en la venta de diamantes y el mercado de reventa de diamantes no es muy activo. Los diamantes industriales son apreciados principalmente por su dureza y conductividad térmica, mientras que las cualidades gemológicas de claridad y color son en gran parte irrelevantes. Aproximadamente el 80% de los diamantes extraídos (equivalentes a unos 100 millones de quilates o 20 toneladas por año) no se pueden utilizar y se utilizan en la industria (diamantes de desecho). Los diamantes sintéticos, inventados en la década de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi de inmediato; Anualmente se producen 3.000 millones de quilates (600 toneladas) de diamantes sintéticos. Los usos industriales dominantes del diamante son 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, con la excepción de los diamantes pequeños, se pueden utilizar en la industria. Los diamantes se insertan en las puntas de los taladros o en las hojas de sierra, o se muelen hasta convertirlos en polvo para su uso en esmerilado y pulido. Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorio como almacenamiento para experimentos de alta presión, cojinetes de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especializadas. Con los avances en la fabricación de diamantes sintéticos, se están volviendo factibles nuevas aplicaciones. Se presta mucha atención al posible uso del diamante como semiconductor adecuado para microchips y debido a su excepcional conductividad térmica como disipador de calor en la electrónica.

Carbono (C)- típico no metálico; en el sistema periódico está en el segundo período del grupo IV, el subgrupo principal. Número atómico 6, Ar = 12.011 amu, carga nuclear +6.

Propiedades físicas: el carbono forma muchas modificaciones alotrópicas: diamante- una de las sustancias más duras grafito, carbón, hollín.

Un átomo de carbono tiene 6 electrones: 1s 2 2s 2 2p 2 . Los dos últimos electrones están ubicados en orbitales p separados y no están emparejados. En principio, este par podría ocupar un orbital, pero en este caso la repulsión electrón-electrón aumenta fuertemente. Por esta razón, uno de ellos toma 2p x, y el otro, o 2p y , o orbitales z 2p.

La diferencia entre las energías de los subniveles s y p de la capa exterior es pequeña; por lo tanto, el átomo pasa con bastante facilidad a un estado excitado, en el que uno de los dos electrones del orbital 2s pasa al libre. 2p. Un estado de valencia con la configuración 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Este es el estado del átomo de carbono que es característico de la red de diamante: la disposición espacial tetraédrica de los orbitales híbridos, la misma longitud de enlace y energía.

Este fenómeno se conoce por llamarse sp 3 - hibridación, y las funciones que surgen son sp 3 -híbridas . La formación de cuatro enlaces sp 3 proporciona al átomo de carbono un estado más estable que tres páginas- y un s-s-link. Además de la hibridación sp 3 en el átomo de carbono, también se observa hibridación sp 2 y sp . En el primer caso, existe una superposición mutua s- y dos orbitales p. Se forman tres orbitales híbridos sp 2 equivalentes, ubicados en un plano en un ángulo de 120 ° entre sí. El tercer orbital p no cambia y se dirige perpendicular al plano sp 2.

Durante la hibridación sp, los orbitales syp se superponen. Un ángulo de 180 ° surge entre los dos orbitales híbridos equivalentes formados, mientras que los dos orbitales p de cada uno de los átomos permanecen sin cambios.

Alotropía de carbono. Diamante y grafito

En un cristal de grafito, los átomos de carbono están ubicados en planos paralelos, ocupando los vértices de hexágonos regulares en ellos. Cada uno de los átomos de carbono está unido a tres enlaces híbridos sp 2 adyacentes. La conexión entre los planos paralelos se realiza mediante fuerzas de van der Waals. Los orbitales p libres de cada uno de los átomos se dirigen perpendicularmente a los planos de los enlaces covalentes. Su superposición explica el enlace π adicional entre los átomos de carbono. Entonces de estado de valencia en el que los átomos de carbono se encuentran en una sustancia, las propiedades de esta sustancia dependen.

Propiedades químicas del carbono

Los estados de oxidación más típicos son +4, +2.

A bajas temperaturas, el carbono es inerte, pero cuando se calienta, su actividad aumenta.

Carbono como agente reductor:

- con oxigeno
C 0 + O 2 - t ° = CO 2 dióxido de carbono
con falta de oxígeno - combustión incompleta:
2C 0 + O 2 - t ° = 2C +2 O monóxido de carbono

- con flúor
C + 2F 2 = CF 4

- con vapor de agua
C 0 + H 2 O - 1200 ° = C +2 O + H 2 agua gas

- con óxidos metálicos. Por lo tanto, el metal se funde a partir del mineral.
C 0 + 2CuO - t ° = 2Cu + C +4 O 2

- con ácidos - agentes oxidantes:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) = C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (concentrado) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- forma disulfuro de carbono con azufre:
C + 2S 2 = CS 2.

Carbono como agente oxidante:

- forma carburos con algunos metales

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2-4

- con hidrógeno - metano (así como una gran cantidad de compuestos orgánicos)

C 0 + 2H 2 = CH 4

- con silicio, forma carborundo (a 2000 ° C en un horno eléctrico):

Encontrar carbono en la naturaleza

El carbono libre se presenta en forma de diamante y grafito. En forma de compuestos, el carbono se encuentra en la composición de minerales: tiza, mármol, piedra caliza - CaCO 3, dolomita - MgCO 3 * CaCO 3; hidrocarbonatos - Mg (HCO 3) 2 y Ca (HCO 3) 2, el CO 2 es parte del aire; El carbono es la parte constituyente principal de los compuestos orgánicos naturales: gas, petróleo, carbón, turba; es parte de sustancias orgánicas, proteínas, grasas, carbohidratos, aminoácidos que forman los organismos vivos.

Compuestos de carbono inorgánico

Ni los iones C 4+ ni C 4 se forman bajo ningún proceso químico ordinario: existen enlaces covalentes de diferente polaridad en los compuestos de carbono.

Monóxido de carbono (II) CO

Monóxido de carbono; incoloro, inodoro, ligeramente soluble en agua, soluble en disolventes orgánicos, venenoso, temperatura de la bala = -192 ° C; t pl. = -205 ° C.

Recepción
1) En la industria (en generadores de gas):
C + O 2 = CO 2

2) En el laboratorio, por descomposición térmica de ácido fórmico u oxálico en presencia de H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H 2 O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Propiedades químicas

El CO es inerte en condiciones normales; cuando se calienta - un agente reductor; óxido no formador de sal.

1) con oxígeno

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) con óxidos metálicos

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) con cloro (a la luz)

CO + Cl 2 - hn = COCl 2 (fosgeno)

4) reacciona con álcalis fundidos (bajo presión)

CO + NaOH = HCOONa (formato de sodio)

5) forma carbonilos con metales de transición

Ni + 4CO - t ° = Ni (CO) 4

Fe + 5CO - t ° = Fe (CO) 5

Monóxido de carbono (IV) CO2

Dióxido de carbono, incoloro, inodoro, solubilidad en agua: 0,9 V CO 2 se disuelve en 1 V H 2 O (en condiciones normales); Mas pesado que el aire; t ° pl. = -78,5 ° C (el CO 2 sólido se denomina "hielo seco"); no es compatible con la combustión.

Recepción

1. Descomposición térmica de sales de ácido carbónico (carbonatos). Tostado de piedra caliza:

CaCO 3 - t ° = CaO + CO 2

1. La acción de ácidos fuertes sobre carbonatos y bicarbonatos:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

QuímicopropiedadesCO2
Óxido ácido: reacciona con óxidos básicos y bases para formar sales de ácido carbónico.

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Puede exhibir propiedades oxidantes a temperaturas elevadas.

С +4 O 2 + 2Mg - t ° = 2Mg +2 O + C 0

Reacción cualitativa

Turbidez del agua de cal:

Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (precipitado blanco) + H 2 O

Desaparece con el paso prolongado de CO 2 a través del agua de cal, porque El carbonato de calcio insoluble se transforma en bicarbonato soluble:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3) 2

Ácido carbónico y susal

H 2CO 3 - El ácido es débil, existe solo en solución acuosa:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Dos bases:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sales ácidas - bicarbonatos, hidrocarburos
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Sales medias - carbonatos

Todas las propiedades de los ácidos son características.

Los carbonatos y los hidrocarburos se pueden convertir entre sí:

2NaHCO 3 - t ° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Los carbonatos de metal (excepto los metales alcalinos) se descarboxilan cuando se calientan para formar un óxido:

CuCO 3 - t ° = CuO + CO 2

Reacción cualitativa- "ebullición" bajo la acción de un ácido fuerte:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Carburos

Carburo de calcio:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

El acetileno se libera cuando los carburos de zinc, cadmio, lantano y cerio reaccionan con el agua:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C y Al 4 C 3 se descomponen con agua para formar metano:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al (OH) 3 = 3 CH 4.

En tecnología, se utilizan carburos de titanio TiC, tungsteno W 2 C (aleaciones duras), silicio SiC (carborundo - como abrasivo y material para calentadores).

Cianuro

obtenido calentando sosa en una atmósfera de amoníaco y monóxido de carbono:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

El ácido cianhídrico HCN es un producto importante de la industria química y se usa ampliamente en síntesis orgánica. Su producción mundial alcanza las 200 mil toneladas por año. La estructura electrónica del anión cianuro es similar al monóxido de carbono (II), tales partículas se denominan isoelectrónicas:

C = O: [: C = N:] -

Los cianuros (solución acuosa al 0,1-0,2%) se utilizan en la extracción de oro:

2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K + 2 KOH.

Al hervir soluciones de cianuro con azufre o fusión de sólidos, tiocianatos:
KCN + S = KSCN.

Cuando se calientan cianuros de metales de baja actividad, se obtiene cianógeno: Hg (CN) 2 = Hg + (CN) 2. Las soluciones de cianuro se oxidan a cianatos:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

El ácido cianico se presenta en dos formas:

H-N = C = O; H-O-C = NORTE:

En 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) obtuvo urea a partir de cianato de amonio: NH 4 OCN = CO (NH 2) 2 por evaporación de una solución acuosa.

Este evento suele verse como la victoria de la química sintética sobre la "teoría vitalista".

Hay un isómero de ácido cianico: ácido volátil

H-O-N = C.
Sus sales (mercurio explosivo Hg (ONC) 2) se utilizan en encendedores de impacto.

Síntesis urea(urea):

CO 2 + 2 NH 3 = CO (NH 2) 2 + H 2 O. A 130 0 С y 100 atm.

La urea es una amida del ácido carbónico, también existe su "análogo de nitrógeno", la guanidina.

Carbonatos

Los compuestos de carbono inorgánico más importantes son las sales de ácido carbónico (carbonatos). H 2 CO 3 es un ácido débil (K 1 = 1.3 · 10 -4; K 2 = 5 · 10 -11). Soportes tampón de carbonato equilibrio de dióxido de carbono en la atmósfera. Los océanos tienen una enorme capacidad de amortiguación porque son un sistema abierto. La principal reacción tampón es el equilibrio en la disociación del ácido carbónico:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Con una disminución de la acidez, se produce una absorción adicional de dióxido de carbono de la atmósfera con la formación de ácido:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Con un aumento de la acidez, se produce la disolución de las rocas carbonatadas (conchas, tiza y depósitos de piedra caliza en el océano); esto compensa la pérdida de iones de hidrocarbonato:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (sólido) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Los carbonatos sólidos se convierten en hidrocarbonatos solubles. Es este proceso de disolución química del exceso de dióxido de carbono el que contrarresta el "efecto invernadero", el calentamiento global debido a la absorción de la radiación térmica de la Tierra por el dióxido de carbono. Aproximadamente un tercio de la soda del mundo (carbonato de sodio Na 2 CO 3) se utiliza en la producción de vidrio.