Propiedades fisico-químicas

Carbono

El CarbonoCarbono, de símbolo C, es un elemento crucial para la existencia de los organismos vivos, y que tiene muchas

aplicaciones industriales importantes. Su número atómico es 6; y pertenece al grupo 14 (o IV A) del sistema

periódico.

Propiedades Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la

estructura cristalina del elemento. Un gran número de metales se combinan con el elemento a

temperaturas elevadas para formar carburos. Con el oxígeno forma tres compuestos gaseosos: monóxido de

carbono, CO, dióxido de carbono, CO2, y subóxido de carbono, C3O2.

Los dos primeros son los más importantes desde el punto de vista industrial.

El carbono es un elemento único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los

otros elementos combinados. El grupo más grande de estos compuestos es el constituido por

carbono e hidrógeno. Se estima que se conoce un mínimo de 1.000.000 de compuestos orgánicos y este número crece

rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el carbono forma otra serie de compuestos considerados como

inorgánicos, en un número mucho menor al de los orgánicos.

Tipos de Carbono

Las tres formas de carbono elemental existentes en la naturaleza (grafito, diamante y carbono amorfo) son sólidos con puntos de fusión extremadamente altos, e

insolubles en todos los disolventes a temperaturas ordinarias. Las propiedades físicas de las tres formas

difieren considerablemente a causa de las diferencias en su estructura cristalina.

Grafito

Es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues

como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a

la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. A diferencia del diamante, aunque los dos están formados por carbono, el grafito es muy blando y el diamante es el mineral más duro según la escala de

Mohs.

En el grafito los átomos de carbono presentan hibridación sp2, esto significa que forma tres enlaces covalentes en el mismo plano a un ángulo de 120º (estructura hexagonal) y

que un orbital Π perpendicular a ese plano quede libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento eléctrico del grafito). El enlace covalente

entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte, sin embargo las uniones entre las diferentes capas se realizan por

fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales Π, y son mucho más débiles.

Se podría decir que el grafito son varias capas de grafenomontadas. Esta estructura laminar hace que el grafito sea un

material marcadamente anisótropo.El grafito es un mineral muy parecido al diamante, se conoce

un proceso por el cual el grafito puede convertirse en diamante, pero es muy costoso así que las empresas no han

tomado esta oportunidad como favorable.

DiamanteEs un alótropo del carbono donde los átomos de carbono están dispuestos en una variante de la estructura cristalina cúbica centrada en la cara

denominada «red de diamante». El diamante es la segunda forma más estable de carbono, después del

grafito; sin embargo, la tasa de conversión de diamante a grafito es despreciable a condiciones ambientales. El diamante tiene renombre específicamente como un

material con características físicas superlativas, muchas de las cuales derivan del fuerte enlace covalente entre sus

átomos. En particular, el diamante tiene la más alta dureza y conductividad térmica de todos los materiales

conocidos por el hombre.

El diamante tiene características ópticas destacables. Debido a su estructura cristalina extremadamente rígida, puede ser contaminada por pocos tipos de

impurezas, como el boro y el nitrógeno. Combinado con su gran transparencia (correspondiente a una amplia

banda prohibida de 5,5 eV), esto resulta en la apariencia clara e incolora de la mayoría de diamantes naturales.

Pequeñas cantidades de defectos o impurezas

Carbono AmorfoEs el carbono que no tiene una

estructura cristalina. Como con todos los materiales vítreos, puede

presentarse algún orden de corto alcance, pero no hay patrones de largo

alcance de las posiciones atómicas. Aunque puede fabricarse carbono

completamente amorfo, el carbono amorfo natural (como el hollín)

realmente contiene cristales microscópicos de grafito,1 algunas

veces diamante. A escala macroscópica, el carbono amorfo no tiene una estructura definida, puesto

que consiste en pequeños cristales irregulares, pero a escala

nanomicroscópica, puede verse que está hecho de átomos de carbono

colocados regularmente

Aplicaciones científicas El isótopo del carbono más común es el carbono 12; en 1961 se eligió

este isótopo para sustituir al isótopo oxígeno 16 como medida patrón para las masas atómicas, y se le asignó la masa atómica 12.

Los isótopos carbono 13 y carbono 14 se usan como trazadores (consultar Trazador isotópico) en la investigación bioquímica. El

carbono 14 se utiliza también en la técnica llamada método del carbono 14, que permite estimar la edad de los fósiles y otras materias

orgánicas. Este isótopo es producido continuamente en la atmósfera por los rayos cósmicos, y se incorpora a toda la materia viva.

Como el carbono 14 se desintegra con un periodo de semidesintegración de 5.760 años, la proporción entre el carbono 14 y el carbono 12 en un espécimen dado, proporciona una medida de su edad

aproximada.

Configuración electrónica El átomo de carbono constituye el elemento esencial de toda la

química orgánica, y debido a que las propiedades químicas de elementos y compuestos son consecuencia de las características

electrónicas de sus átomos y de sus moléculas, es necesario considerar la configuración electrónica del átomo de carbono para poder comprender su singular comportamiento químico.

Se trata del elemento de número atómico Z = 6. Por tal motivo su configuración electrónica en el estado fundamental o no

excitado es 1s2 2s2 2p2. La existencia de cuatro electrones en la última capa sugiere la posibilidad bien de ganar otros cuatro convirtiéndose en el ion C4- cuya configuración electrónica

coincide con la del gas noble Ne, bien de perderlos pasando a ion C4+ de configuración electrónica idéntica a la del He.

En realidad una pérdida o ganancia de un número tan elevado de electrones indica una dosis de energía elevada, y el átomo de

carbono opta por compartir sus cuatro electrones externos con otros átomos mediante enlaces covalentes. Esa cuádruple posibilidad de enlace que presenta el átomo de carbono se

denomina tetravalencia.

La química de compuestos del carbono

El átomo de carbono, debido a su configuración electrónica, presenta una importante capacidad de combinación. Los átomos de carbono pueden unirse

entre sí formando estructuras complejas y enlazarse a átomos o grupos de átomos que confieren a las moléculas resultantes propiedades específicas. La enorme diversidad en los compuestos del carbono hace de su estudio químico

una importante área del conocimiento puro y aplicado de la ciencia actual. Durante mucho tiempo la materia constitutiva de los seres vivos estuvo rodeada de no pocas incógnitas. Frente a la materia mineral presentaba, entre otras, una característica singular, su capacidad de combustión. Parecía como si

los únicos productos capaces de arder hubieran de proceder de la materia viviente.

En los albores de la química como ciencia se advirtió, además, que si bien la materia procedente de organismos vivos podía degradarse en materia mineral por combustión u otros procesos químicos, no era posible de ninguna manera

llevar a cabo en el laboratorio el proceso inverso. Argumentos de este estilo llevaron a Berzelius, a comienzos del siglo XIX, a

sugerir la existencia de dos tipos de materia en la naturaleza, la materia orgánica o materia propia de los seres vivos, y la materia inorgánica.

Para justificar las diferencias entre ambas se admitió que la materia orgánica poseía una composición especial y que su

formación era debida a la intervención de una influencia singular o «fuerza vital» exclusiva de los seres vivos y cuya manipulación

no era posible en el laboratorio.

La crisis de este planteamiento, denominado vitalismo, llevó consigo el rápido desarrollo de la química de la materia orgánica

en los laboratorios, al margen de esa supuesta «fuerza vital».

En la actualidad, superada ya la vieja clasificación de Berzelius, se denomina química orgánica a la química de los

derivados del carbono e incluye el estudio de los compuestos en los que dicho elemento constituye una parte esencial, aunque

muchos de ellos no tengan relación alguna con la materia viviente.

Nombre Carbono

Número atómico 6

Valencia 2,+4,-4

Estado de oxidación +4

Electronegatividad 2,5

Radio covalente (Å) 0,77

Radio iónico (Å) 0,15

Radio atómico (Å) 0,914

Configuración electrónica 1s22s22p2

Primer potencial de ionización (eV) 11,34

Masa atómica (g/mol) 12,01115

Densidad (g/ml) 2,26

Punto de ebullición (ºC) 4830

Punto de fusión (ºC) 3727

Descubridor Los antiguos

Hidrógeno

El HidrógenoEl hidrógeno es un elemento peculiar, el único que no

pertenece a ninguno de los grupos de la tabla periódica, siendo representado unas veces con los metales alcalinos, otras veces con los halógenos, o

simplemente aislado de todos ellos, aunque quizás, debido a su electronegatividad característica, la cual es mayor que las de los metales alcalinos, y menor que la de los halógenos, lo mejor sería colocarlo a mitad

de camino entre ambos grupos.

Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia

no sólo en la Tierra sino en todo el universo. Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se

encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza

aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero

que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.

UsosEl empleo más importante del hidrógeno es en la

síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de

refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con

hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener

grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.

Propiedades El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos. A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia

poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy

reactivo.

El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar agua y esta reacción es extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un

catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia explosiva. Con nitrógeno, el hidrógeno experimenta una importante reacción para dar amoniaco. El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto

número de metales y produce hidruros. Los óxidos de muchos metales son reducidos por el hidrógeno a temperaturas elevadas para obtener el metal libre

o un óxido más bajo. El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las sales de los metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico.

En presencia de un catalizador adecuado, el hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos no saturados adicionándose al enlace doble.

Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un

agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el

cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los

nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio. Reacciona con cierto número de elementos, tanto metales como no metales, para producir hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3. El hidrógeno atómico produce

peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno. Con compuestos orgánicos, el hidrógeno atómico reacciona para generar una mezcla compleja de

productos; con etileno, C2H4, por ejemplo, los productos son etano, C2H6, y butano, C4H10. El calor que se libera cuando los átomos de

hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de hidrógeno se aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura de

hidrógeno atómico.

Compuestos PrincipalesEl hidrógeno es constituyente de un número muy grande

de compuestos que contienen uno o más de otros elementos. Esos compuestos incluyen el agua, los

ácidos, las bases, la mayor parte de los compuestos orgánicos y muchos minerales. Los compuestos en los cuales el hidrógeno se combina sólo con otro elemento

se denominan generalmente hidruros.

Preparación

Se pueden aplicar muy diversos métodos para preparar hidrógeno gaseoso. La elección del método depende de

factores como la cantidad de hidrógeno deseada, la pureza requerida y la disponibilidad y costo de la materia prima. Entre los procesos que más se emplean están las

reacciones de metales con agua o con ácidos, la electrólisis del agua, la reacción de vapor con

hidrocarburos u otros materiales orgánicos, y la descomposición térmica de hidrocarburos. La principal materia prima para la producción de hidrógeno son los

hidrocarburos, como el gas natural, gas de aceite refinado, gasolina, aceite combustible y petróleo crudo.

Nombre Hidrógeno

Número atómico 1

Valencia 1

Estado de oxidación +1

Electronegatividad 2,1

Radio covalente (Å) 0,37

Radio iónico (Å) 2,08

Radio atómico (Å) -

Configuración electrónica 1s1

Primer potencial de ionización (eV) 13,65

Masa atómica (g/mol) 1,00797

Densidad (g/ml) 0,071

Punto de ebullición (ºC) -252,7

Punto de fusión (ºC) -259,2

Descubridor Boyle en 1671