Carbono
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Carbono. El carbono es un elemento químico de número atómico 6. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación puede encontrarse en la naturaleza en forma cristalina, como es el caso del grafito, el diamante y la familia de los fullerenos y nanotubos de carbono; o bien en forma amorfa (negro de humo). Es el pilar básico de la química orgánica y forma parte de todos los seres vivos.
Sumario
Historia
Indudablemente, las razas prehistóricas conocieron el carbono en sus formas de carbón vegetal y negro de humo. Los primitivos egipcios hacían carbón de leña de modo muy parecido al actual, calentando madera tapada con barro para aislarla del aire.
La más preciosa de todas las formas del carbono, el diamante, se menciona en el Viejo Testamento, y en antiguos documentos hindúes; el grafito se empleo en tiempos remotos para escribir.
Los nombres de las diversas formas del carbono proceden del latín y del griego: los latinos llamaban carbo al carbón de leña; el vocablo griego graphein, escribir, se ha convertido en grafito; y el nombre latino del diamante, adamas, que significa indomable, invencible, pasó a ser sucesivamente adamant, diamaunt, diamant y por último diamante.
Ya en 1704 Newton predijo que el diamante debía ser combustible, en 1772 Lavoisier quemó diamante en oxígeno y demostró que se había formado dióxido de carbono y en 1797 Smithson Tennant demostró que el diamante es carbono puro.
Estado natural, alotropía y abundancia
Aunque no muy frecuente en la corteza terrestre (<0,1 %), es el segundo elemento por su abundancia en el organismo humano, donde alcanza el 17,5 %. Se halla en todos los tejidos animales y vegetales combinado con el hidrógeno y el oxígeno; tambien se encuentra en los derivados geológicos de la materia viva (petróleos y carbones), unido sobre todo al hidrógeno, con el que forma hidrocarburos. Combinado con el oxígeno se halla en la atmósfera como dióxido de carbono y en las rocas, formando carbonatos, caliza principalmente. Libre, el carbono es poco abundante, presentándose en dos estados alotrópicos: diamante y grafito.
Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo. En el diamante, el material más duro que se conoce, cada átomo está unido a otros cuatro en una estructura tridimensional, mientras que el grafito consiste en láminas débilmente unidas de átomos dispuestos en hexágonos. Existen alrededor de 4,5 millones de sustancias y alrededor de 4 millones de ellas presentan en su composición al carbono.
Obtención
- El carbono se encuentra - frecuentemente muy puro - en la naturaleza, en estado elemental, en las formas alotrópicas diamante y grafito. El material natural más rico en carbono es el carbón (del cual existen algunas variedades).
- Grafito: Se encuentra en algunos yacimientos naturales muy puro. Se obtiene artificialmente por descomposición del carburo de silicio en un horno eléctrico.
- Diamante: Existen en la naturaleza, en el seno de rocas eruptivas y en el fondo del mar. En la industria se obtiene tratando grafito a 3000 K de temperatura y a una presión entre 125 - 150 katm. Por ser la velocidad de transformación de grafito en diamante muy lenta, se utilizan metales de transición, en trazas, como catalizadores (hierro, níquel, platino).
- Carbón de coque: muy rico en carbono, es el producto residual en la destilación de la hulla.
- Carbono amorfo: Negro de humo y carbón activo: Son formas del carbono finamente divididas. El primero se prepara por combustión incompleta de sustancias orgánicas; la llama deposita sobre superficies metálicas, frías, partículas muy finas de carbón. El carbón activo se obtiene por descomposición térmica de sustancias orgánicas.
- Fullerenos: Estas sustancias se encuentran en el humo de los fuegos y en las estrellas gigantes rojas. Se obtienen, artificialmente, haciendo saltar un arco entre dos electrodos de grafito o sublimando grafito por acción de un láser.
Compuestos
El carbono forma dos óxidos principales: monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2)
El monóxido de carbono se forma cuando se quema carbono o hidrocarburos con un suministro limitado de oxígeno.
2 C(s) + O2(g)= 2 CO(g)
Este es un gas incoloro inodoro insípido. Es tóxico a causa de su capacidad para unirse a la hemoglobina e interferir así en el transporte del oxígeno. Tiene varios usos comerciales. Puesto que arde fácilmente para formar CO2 se emplea como combustible:
2 CO(g) + O2(g)= 2 CO2(g)
También es un agente reductor simple, ampliamente usado en operaciones metalúrgicas para reducir óxidos metálicos. Por ejemplo, es el agente reductor mas importante en la reducción de óxidos en hornos de fundición:
Fe3O4(s) + 4 CO(g)= 3 Fe(s) + 4 CO2(g)
El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro. Es un componente secundario de la atmósfera terrestre pero contribuye en forma importante al llamado efecto invernadero. Aunque no es tóxico, altas concentraciones aumentan el ritmo de la respiración y puede causar asfixia.
El CO2 sólido se lo conoce como hielo seco, de ahí que aproximadamente la mitad del dióxido de carbono que se consume cada año es utilizado para refrigeración.
Otro uso importante es la producción de bebidas gaseosas, en la producción de bicarbonato para hornear, etc.
El cianuro de hidrogeno (HCN) es una gas extremadamente tóxico. Se produce por la reacción de una sal de cianuro como nacen con un ácido.
Las soluciones acuosas de HCN se conocen como ácido cianhidrico. La neutralización con una base como hidróxido de sodio (NaOH) produce sales de cianuro como el cianuro de sodio (NaCN)
Aplicaciones
Todas las formas de este elemento tienen diversas aplicaciones. Los diamantes se usan en joyería
, pero las variedades grises y otras se utilizan como abrasivos en la industria, debido a su extrema dureza. Por ello en el borde de las herramientas de corte se colocan pequeños diamantes.
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El grafito se usa para fabricar minas de lápices o, por su calidad aceitosa, como lubricante. El carbón constituye un combustible fundamental en gran parte de las regiones del globo, tanto más cuanto a partir de él se fabrica coque, gas de hulla y una amplia gama de productos químicos indispensables.
Se obtiene acero preparando una aleación de hierro con carbono. La carbonilla - aparte de sus usos en dibujo- produce carbón activado que es carbón de leña que ha sufrido un tratamiento con calor, para eliminar impurezas. En forma pura, el carbón es muy reactivo y absorbe las impurezas. El carbón activado elimina vapores y olores y decolora sustancias. El negro de humo constituye un carbono muy negro, finamente pulverizado, que se emplea como pigmento en tintas y en la producción de goma.
El grafito amorfo se conoce como negro de humo (hollín negro) y es usado como un pigmento.
Aunque es frágil, el grafito tiene una elevada conductividad eléctrica y térmica así como una buena resistencia al choque térmico y a las altas temperaturas (a pesar que se empieza a oxidar a partir de los 500°C (930°F). Es, por tanto, un material importante para aplicaciones como electrodos, elementos calefactores, escobillas para motores, dispositivos y partes de horno de alta temperatura, materiales para moldes (como crisoles para la fusión y el colado de metales), y en sellos .
Una característica del grafito es su resistencia a los productos químicos; por ello, se usa en filtros para fluidos corrosivos. También su sección transversal
de baja absorción y su sección transvers
al de alta dispersión para los neutrones térmicos hacen del grafito adecuado para aplicaciones nucleares. La punta de un lápiz ordinario es una mezcla de grafito y arcilla.
La segunda forma principal del carbono es el diamante, que tiene una estructura enlazada covalentemente. Es la sustancia más dura conocida (7000 HK- 8000 HK). El diamante es frágil, y se empieza a descomponer en el aire a aproximadamente 700°C (1300°F); en entornos no oxidantes, resiste altas temperaturas.
El diamante sintético o industrial se fabricó por primera vez en 1955; se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales. Un método para fabricarlo es el someter el grafito a una presión hidrostática de 14 GPa (2 rnillones de psi) y una temperatura de 3000°C (5400°F). El diamante sintético es idéntico al natural, y tiene propiedades superiores debido a que carece de impurezas. Está disponible en varios tamaños y formas; para el maquinado abrasivo, el tamaño de grano más común es de 0.01 mm (0.004 pulg.) de diámetro. Las partículas de diamante pueden también ser recubiertas con níquel, cromo o titanio para un mejor rendimiento en operaciones de esmerilado.
Un desarrollo más reciente es el carbono similar al diamante (DLC , por sus siglas en inglés: Diamond Like Carbon). Se utiliza como un recubrimiento de película de diamante.
Hoy día se fabrica el diamante sintético de calidad de joyería; su conductividad eléctrica es 50 veces superior a la del diamante natural, y es 10 veces más resistente al daño por láser. Sus posibles aplicaciones se encuentran en sumideros de calor para computadoras, en telecomunicaciones, en la industria de los circuitos integrados y como ventanas en los láser de alta potencia. En vista de sus características favorables, el diamante tiene muchas aplicaciones importantes como las siguientes:
- material de herramienta de corte, en forma de monocristales o en forma polieristalina
- como abrasivo en piedras de esmeril, para el esmerilado de materiales duros
- para el rectificado de piedras de esmeril (es decir, para el afilado de los granos abrasivos)
- como dados para el estirado de alambre con menos de 0.06 mm (0.0025 plg.) de diámetro, y
- recubrimientos para herramientas de corte y dados
Fuentes
- Babor, Joseph A. y Aznárez, José Ibarz. Química General Moderna. Instituto Cubano del libro. La Habana. 1969.
- Plane, Robert A. y Sienko, Michel J. Química. Colección Ciencia Técnica Aguiar.
