Carbono
Elemento base de la vida, presente en compuestos orgánicos y materiales como el grafito y el diamante.
Propiedades rápidas
Qué es el carbono
El carbono (C) es el elemento número 6 y, sin exagerar, el elemento de la vida: forma el esqueleto de todas las moléculas orgánicas gracias a su capacidad única de unirse a sí mismo en cadenas y anillos. Se presenta en formas tan distintas como el diamante (el material natural más duro) y el grafito (blando y conductor), además del grafeno y los nanotubos. Es la base de la química orgánica y de los combustibles fósiles.
Para qué sirve el carbono
Materiales avanzados
El carbono se utiliza en la fabricación de materiales compuestos avanzados, como las fibras de carbono, que son extremadamente fuertes y ligeras. Estas fibras se emplean en la industria aeroespacial, automovilística y en equipos deportivos de alto rendimiento.
Energía y combustibles
El carbono es un componente clave de los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. Estos combustibles son fuentes primarias de energía en el mundo, aunque su uso está siendo reevaluado por su impacto ambiental.
Biología y medicina
En biología, el carbono es esencial para la vida, formando parte de las moléculas biológicas fundamentales como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. En medicina, se utiliza en la fabricación de dispositivos médicos y en biomateriales.
Tecnología electrónica
El grafeno, una forma de carbono, es un material revolucionario en la electrónica debido a su alta conductividad y flexibilidad. Se investiga su uso en pantallas táctiles, transistores y otros dispositivos electrónicos.
Datos del carbono
- Número atómico (Z)
- 6
- Masa atómica
- 12,011 u
- Punto de fusión
- 3.550 (diamante, sublima) °C
- Punto de ebullición
- 4.027 (grafito sublima ~3.825) °C
- Densidad
- grafito 2,267 g/cm³ · diamante 3,515 g/cm³
- Electronegatividad (Pauling)
- 2,55
- Radio atómico
- 67 pm
- Energía de 1ª ionización
- 1086,5 kJ/mol
- Afinidad electrónica
- 153,9 kJ/mol
- Dureza (Mohs)
- diamante 10 (el más duro) · grafito 1-2
- Estructura cristalina
- hexagonal (grafito), cúbica diamante, hexagonal (grafeno)
- Color / aspecto
- negro (grafito) · incoloro (diamante puro)
- Origen del nombre
- del latín «carbo» (carbón)
- Descubrimiento
- prehistórico · conocido desde la antigüedad; identificado como elemento por Lavoisier (1789)
Propiedades del carbono
Propiedades físicas
El carbono en su forma pura puede ser un sólido negro y opaco como el grafito, o transparente y brillante como el diamante. Tiene una densidad variable, siendo el grafito menos denso que el diamante. El punto de fusión del diamante es extremadamente alto, alrededor de 3550 °C, y el carbono es un buen conductor de electricidad en forma de grafito.
Propiedades químicas
El carbono es notablemente versátil en sus combinaciones químicas, formando compuestos con casi todos los elementos. Presenta estados de oxidación comunes como +4 y -4. Es relativamente estable, pero puede reaccionar con oxígeno a altas temperaturas para formar dióxido de carbono. No es peligroso en su forma elemental, pero algunos compuestos pueden ser tóxicos.
Configuración electrónica
La configuración electrónica abreviada del carbono es:
[He] 2s² 2p²
En notación desarrollada completa:
1s² 2s² 2p²
El carbono distribuye sus 6 electrones siguiendo las reglas de Aufbau, Hund y el principio de exclusión de Pauli. Los electrones del último nivel energético (los electrones de valencia) son los responsables de las propiedades químicas del elemento.
Estados de oxidación y valencias del carbono
| Estado | Ejemplo(s) | Frecuencia |
|---|---|---|
| −4 | CH₄ (metano) | principal (alcanos) |
| −3 | C₂H₆ (etano) | común |
| −2 | C₂H₄ (eteno), CH₃OH (metanol) | común |
| −1 | C₂H₂ (etino), CH₂Cl₂ | común |
| 0 | C grafito, C diamante, CH₂O (formaldehído) | común |
| +1 | C₂H₂ (en el otro extremo), HCOOH (ác. fórmico) | común |
| +2 | CO (monóxido), HCHO | común |
| +3 | C₂O₄²⁻ (oxalato), HCO₃⁻ (bicarbonato) | común |
| +4 | CO₂, H₂CO₃, CCl₄, CF₄ | principal |
Si lo que necesitas es formular, en la página de las valencias del carbono está cada estado de oxidación con su ejemplo resuelto , la nomenclatura de cada uno y de dónde sale a partir de la configuración electrónica.
Historia del carbono
El carbono ha sido conocido desde la antigüedad, aunque no fue hasta el siglo XVIII cuando Antoine Lavoisier lo reconoció como un elemento químico. Lavoisier demostró que el diamante es una forma de carbono al quemarlo y producir dióxido de carbono. El nombre 'carbono' proviene del latín 'carbo', que significa carbón, reflejando su uso histórico como combustible y en la metalurgia.
Cómo se obtiene el carbono
El carbono elemental se extrae en sus dos formas principales por rutas distintas. El grafito se obtiene de yacimientos naturales (China, India, Brasil) o artificialmente por el proceso Acheson: cocción de coque petróleo + sílice a 2.500 °C en horno eléctrico. El diamante sintético se produce por dos métodos industriales: alta presión y alta temperatura (HPHT), que simula las condiciones del manto terrestre (1.500 °C, 5 GPa), y deposición química de vapor (CVD), que cristaliza diamante átomo a átomo desde un plasma de metano e hidrógeno. El coque y el carbón activado se obtienen por pirólisis de carbón mineral o biomasa.
Compuestos habituales
| Fórmula | Nombre | Descripción |
|---|---|---|
| CO2 | Dióxido de carbono | Gas incoloro utilizado en la fotosíntesis y como gas de efecto invernadero. |
| CH4 | Metano | Principal componente del gas natural, utilizado como combustible. |
| C6H12O6 | Glucosa | Azúcar simple que es una fuente de energía esencial para los organismos vivos. |
| C2H5OH | Etanol | Alcohol utilizado en bebidas alcohólicas y como biocombustible. |
Dónde se encuentra el carbono
El carbono es abundante en la corteza terrestre, principalmente en forma de compuestos como carbonatos y hidrocarburos. También se encuentra en la atmósfera como dióxido de carbono. En los seres vivos, es un componente esencial de las moléculas orgánicas. En el universo, se forma en las estrellas a través de procesos de fusión nuclear.
Isótopos del carbono
| Isótopo | Masa | Abundancia | Vida media |
|---|---|---|---|
| C-12 | 12,0000 u (exacto) | 98,93 % | estable |
| C-13 | 13,0034 u | 1,07 % | estable |
| C-14 | 14,0032 u | trazas (~10⁻¹²) | 5.730 años |
| C-11 | 11,0114 u | — | 20,3 min |
Curiosidades sobre el carbono
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El grafeno, una capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, es uno de los materiales más fuertes conocidos, con aplicaciones potenciales en múltiples campos tecnológicos.
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El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo por masa, después del hidrógeno, helio y oxígeno, y es fundamental en la formación de estrellas y planetas.
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Las formas alotrópicas del carbono, como el fullereno y los nanotubos, han abierto nuevas fronteras en la investigación de materiales y nanociencia.
El carbono en la tabla periódica
- Tipo: no metal.
- Grupo: grupo 14 (no metales).
- Periodo: 2.
- Bloque: P (el último electrón se aloja en un orbital de tipo p).
- Valencia principal: +4.
Compara con el resto de no metales o con los elementos del periodo 2.
Diferencias entre carbono y nitrógeno
Carbono y nitrógeno son vecinos en el periodo 2: el N tiene un protón y un electrón más. Las diferencias dominantes vienen de ese electrón extra. El carbono, con 4 electrones de valencia, forma 4 enlaces covalentes de gran versatilidad —la base de la química orgánica—. El nitrógeno, con 5 electrones de valencia, suele formar 3 enlaces dejando un par solitario que le confiere basicidad (aminas) y participación en puentes de hidrógeno. El carbono es sólido (grafito, diamante) a temperatura ambiente; el nitrógeno es gas diatómico (N₂) con un triple enlace muy estable, razón de la inercia del aire.
Consulta también la ficha completa del nitrógeno (N).
Otros elementos del grupo 14 (no metales)
Otros elementos del periodo 2
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Errores frecuentes en exámenes (EBAU / ESO)
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⚠Decir que el carbono solo tiene valencia 4.
El carbono presenta 9 estados de oxidación distintos de −4 a +4, según el contexto. En metano CH₄ es −4, en CO es +2, en CO₂ es +4. En formulación inorgánica se usan +2 (en CO) y +4 (en CO₂, carbonatos); en orgánica, depende de los átomos adyacentes.
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⚠Pensar que grafito y diamante son compuestos distintos.
Grafito, diamante, grafeno, fullerenos y nanotubos son alótropos del carbono: distintas formas estructurales del mismo elemento. La diferencia está en cómo se enlazan los átomos (sp² en grafito y grafeno, sp³ en diamante), no en su composición.
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⚠Confundir CO (monóxido) con CO₂ (dióxido) en escritura y propiedades.
El monóxido de carbono (CO) tiene un C en +2, es tóxico mortal (se une a la hemoglobina). El dióxido (CO₂) tiene el C en +4, es producto de la combustión completa y el principal gas de efecto invernadero. Cuidado con el subíndice: 1 átomo de O frente a 2 cambia totalmente el compuesto.
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⚠Asumir que el C-14 se usa para datar todo.
La datación por C-14 sirve solo para muestras biológicas de hasta unos 50.000 años de antigüedad: más allá, la señal radiactiva es indetectable. Para edades mayores se usan otros isótopos (K-40, U-238, U-235, etc.).