Carboni

El carbono (del llatí, carbo, 'carbó') és un element químic en símbol C, número atómico 6 i massa atòmica 12,01. És un no metal i tetravalent, disponent de 6 electrons i 6 protones per a formar enllaços químics covalente. Tres isòtops del carbono es produïxen de forma natural, els estables ¹²C i ¹³C i l'isòtop radiactiu ¹⁴C, que decau en una vida mija d'uns 5730 anys. El carbono és un dels pocs elements coneguts des de l'antiguetat, i és el pilar bàsic de la química orgànica. Està present en la Terra en estat de cos simple (carbó i diamants), de composts inorgànics (CO₂ i CaCO₃) i de composts orgànics (biomassa, petròleu i gas natural). També s'han sintetisat moltes noves estructures basades en el carbono: carbó activat, negre de fum, fibres, nanotubos, fullerenos i grafeno.

El carbono és el 15.º element més abundant en la corfa terrestre, i el quart element més abundant en l'univers en massa despuix del hidrogen, el heli i l'oxigen. L'abundància del carbono, la seua diversitat única de composts orgànics i la seua inusual capacitat per a formar polímeros a les temperatures comunament trobades en la Terra, permet que este element servixca com a component comú de tota la vida coneguda. És el segon element més abundant en el cos humà en massa (aproximadament el 18,5 %) despuix de l'oxigen.

Els àtoms de carbono poden unir-se de diferents maneres, denominades alótropos del carbono, reflex de les condicions de formació. Els més coneguts que ocorren naturalment són el grafit, el diamant i el carbono amorfo. Les propietats físiques del carbono varien àmpliament en la forma alotrópica. Per eixemple, el grafit és opac i negre, mentres que el diamant és altament transparent. El grafit és lo suficientment bla com per a formar una ralla en el paper (d'ahí el seu nom, del verp grec "γράφειν" que significa 'escriure'), mentres que el diamant és el material natural més dur conegut. El grafit és un bon conductor elèctric mentres que el diamant té una baixa conductivitat elèctrica. En condicions normals, el diamant, els nanotubos de carbono i el grafeno tenen les #conductivitat tèrmiques més altes de tots els materials coneguts. Tots els alótropos del carbono són sòlits en condicions normals, sent el grafit la forma termodinámicamente estable. Són químicament resistents i requerixen altes temperatures per a reaccionar inclús en oxigen.

l'estat d'oxidació més comuna del carbono en els composts inorgànics és +4, mentres que +2 es troba en el monòxit de carbono i en complexos carbonilos de metals de transició. Les majors fonts de carbono inorgànic són les calcàreas, dolomitas i diòxit de carbono, pero cantitats significatives es produïxen en depòsits orgànics de carbó, turba, petròleu i clatratos de metà. El carbono forma un gran número de composts, més que qualsevol atre element, en casi dèu millons de composts descrits fins a la data (en 500 000 composts nous per any), sent no obstant eixe número solament una fracció del número de composts teòricament possibles baix condicions estàndar. Per esta raó, a sovint el carbono s'ha descrit com el «rei dels elements».

La combustió del carbono en totes les seues formes ha segut la base del desenroll tecnològic des de temps prehistòrics. Els materials basats en el carbono tenen aplicacions en numeroses àrees de vanguarda tecnològica: materials composts, bateries de ions de liti, descontaminación de l'aire i de l'aigua, electrodos per a forns d'arc, en la #síntesis d'alumini, etc.

Característiques

El carbono és un element notable per vàries raons. Les seues formes alotrópicas inclouen, una de les substàncies més blanes (el grafit) i una de les més dures (el diamant) i, des del punt de vista econòmic, és dels materials més barats (carbó) i un dels més cars (diamant). Més encara, presenta una gran afinitat per a enllaçar-se químicament en atres àtoms menuts, incloent atres àtoms de carbono en els que pot formar llargues cadenes, i el seu chicotet radi atòmic li permet formar enllaços múltiples. Aixina, en l'oxigen forma el diòxit de carbono, vital per al creiximent de les plantas (vore cicle del carbono); en el hidrogen forma numerosos composts denominats genèricament hidrocarburs, essencials per a l'indústria i el transport en la forma de combustibles fòssils; i combinat en oxigen i hidrogen forma gran varietat de composts com, per eixemple, els #àcit grassos, essencials per a la vida, i els ésterés que donen sabor a les frutes; ademés és vector, a través del cicle carbono-nitrogen, de part de l'energia produïda pel Sol.

Estats alotrópicos

Artícul principal → Alótropos del carbono.

Es coneixen cinc formes alotrópicas del carbono, ademés del amorfo: grafit, diamant, fullereno, grafeno i carbino.

Una de les formes en les quals es troba el carbono és el grafit, caracterisat per tindre els seus àtoms "en els vèrtiços d'hexàgons que tapizan un pla", és de color negre, opac i bla, i és el material del com està feta la part interior dels llàpissos de fusta. El grafit té exactament els mateixos àtoms del diamant, pero per estar disposts en diferent forma tenen distintes propietats físiques i químiques. Els diamants naturals es formen en llocs a on el carbono ha segut somés a grans pressions i altes temperatures. La seua estructura és tetraèdrica, que dona com resultat una ret tridimensional i a diferència del grafit té un grau de durea alt: 10 Mohs. Els diamants es poden crear artificialment, sometent el grafit a temperatures i pressions molt altes. El preu del grafit és menor al dels diamants naturals, pero si s'han elaborat adequadament tenen la mateixa durea, color i transparència.

La forma amorfa és essencialment grafit, pero no aplega a adoptar una estructura cristalina macroscòpica. Esta és la forma present en la majoria dels carbons i en la suja.

A pressió normal, el carbono adopta la forma del grafit, en la que cada àtom està unit a atres tres en un pla compost de celes hexagonals; este estat es pot descriure com tres electrons de valència en orbitales híbrits plans sp² i el quarto en el orbital p.

Les dos formes de grafit conegudes alfa (hexagonal) i beta (romboèdrica) tenen propietats físiques idèntiques. Els grafits naturals contenen més del 30 % de la forma beta, mentres que el grafit sintètic conté únicament la forma alfa. La forma alfa pot transformar-se en beta per mig de procediments mecànics, i esta recristalizar en forma alfa en calfar-se per damunt de 1000 °C.

Per la deslocalisació dels electrons del orbital pi, el grafit és conductor de l'electricitat, propietat que permet el seu us en processos d'electroerosión. El material és bla i les diferents capes, a sovint separades per àtoms intercalados, es troben unides per enllaces de Van de Waals, sent relativament fàcil que unes esgolen respecte d'unes atres, lo que li dona utilitat com lubrificant.

A molt altes pressions, el carbono adopta la forma del diamant, en el qual cada àtom està unit a atres quatre àtoms de carbono, trobant-se els 4 electrons en orbitales sp³, com en els hidrocarburs. El diamant presenta la mateixa estructura cúbica que el silici i el germani i, gràcies a la resistència del enllaç químic carbono-carbono, és, junt en el nitrur de bor, la substància més dura coneguda. La transició a grafit a temperatura ambiente és tan llenta que és indetectable. Baixe certes condicions, el carbono cristaliza com lonsdaleíta, una forma similar al diamant pero hexagonal.

El orbital híbrit sp¹ que forma enllaços covalente solament és d'interés en química, manifestant-se en alguns composts, com per eixemple l'acetileno.

Els fullerenos varen ser descoberts fa 15 anys tenen una estructura similar al grafit, pero el empaquetamiento hexagonal es combina en pentàgons (i en certs casos, heptàgons), lo que curva els plans i permet l'aparició d'estructures de forma esfèrica, elipsoidal o cilíndrica. El constituït per 60 àtoms de carbono, que presenta una estructura tridimensional i geometria similar a un baló de fútbol, és especialment estable. Els fullerenos en general, i els derivats del C₆₀ en particular, són objecte d'intensa investigació en química des del seu descobriment a mitan dels 80.

A esta família pertanyen també els nanotubos de carbono, que poden descriure's com a capes de grafit enrolladas en forma cilíndrica i arrematades en els seus extrems per hemiesferas (fulerenos), i que constituïxen un dels primers productes industrials de la nanotecnología.

Aplicacions

El principal us industrial del carbono és com un component d'hidrocarburs, especialment els combustibles fòssils (petròleu i gas natural). Del primer s'obtenen, per destilació en les refinerias, gasolinas, queroseno i olis, sent ademés la matèria primera empleada en l'obtenció de plàstics. El segon s'està imponent com font d'energia per la seua combustió més neta. Atres usos són:

• L'isòtop radiactiu carbono-14, descobert el 27 de febrer de 1940, s'usa en la datació radiométrica.
• El grafit es combina en argila per a fabricar les mines dels llàpissos. Ademés s'utilisa com a aditiu en lubrificants. Les pintures antirradar utilisades en el camuflage de vehículs i avions militars estan basades igualment en el grafit, intercalando atres composts químics entre les seues capes. És negre i bla. Els seus àtoms estan distribuïts en capes paraleles molt separades entre sí. Es forma a menys pressió que el diamant. Encara que semble difícil de creure, un diamant i la mina d'un lapicero tenen la mateixa composició química: carbono.
• El diamant és transparent i molt dur. En la seua formació, cada àtom de carbono està unit de forma compacta a atres quatre àtoms. S'originen en temperatures i pressions altes en l'interior de la terra. S'ampra per a la construcció de joyas i com a material de brot aprofitant la seua durea.
• Com a element d'aleació principal dels acers.
• En varetes de protecció de reactors nuclears.
• Les pastilles de carbó s'ampren en medicina per a absorbir les toxines del sistema digestiu i com a remei de la flatulència.
• El carbó activat s'ampra en sistemes de filtrat i purificació d'aigua.
• El carbó amorfo ("suja") s'afig a la goma per a millorar les seues propietats mecàniques. Ademés s'ampra en la formació d'electrodos (p. eix. de les bateries). Obtingut per sublimació del grafit, és font dels fullerenos que poden ser extrets en dissolvents orgànics.
• Els fullerenos s'ampren en medicina, s'ha provat que un derivat soluble en aigua del C₆₀ inhibix als virus de inmunodeficiencia humana VIH-1 i VIH-2.
• La fibra de carbono (obtingut generalment per termólisis de fibres de poliacrilato) degut a que són d'alta resistència s'afig a resines de polièster, obtenint-se els materials denominats fibres de carbono, són amprades per a fabricar raquetes de tenis.

• La fibra de carbono també s'utilisa per a l'elaboració de bicicletes de gama alta, conseguint un menor pes, major resistència i millor geometria.
• Les propietats químiques i estructurals dels fullerenos, en la forma de nanotubos, prometen usos futurs en l'incipient camp de la nanotecnología.

Història

El carbono va ser descobert en la prehistòria i ya era conegut en l'antiguetat, a pesar de que en esta la manufacturaban per mig de la combustió incompleta de materials orgànics. Els últims alótropos coneguts, els fullerenos (C₆₀), varen ser descoberts com a subproducte en experiments realisats en gasos moleculars en la década dels 80. S'assemblen a un baló de fútbol, per lo que coloquialment se'ls crida futbolenos.

Newton, en 1704, va intuir que el diamant podia ser combustible, pero no es va conseguir cremar un diamant fins a 1772 en que Lavoisier va demostrar que en la reacció de combustió es produïa CO₂.

Tennant va demostrar que el diamant era carbono pur en 1797. L'isòtop més comú del carbono és el ¹²C; en 1961 este isòtop es va elegir per a reemplaçar a l'isòtop oxigen-16 com a base dels pesos atòmics, i se li va assignar un pes atòmic de 12.

Els primers composts de carbono es varen identificar en la matèria viva a principis de el XIX, i per això l'estudi dels composts de carbono es va cridar química orgànica.

Abundància i obtenció

El carbono no es va crear durant el Big Bang perque haguera necessitat la triple colisió de partícules alfa (núcleus atòmics d'heli) i l'Univers es va expandir i va gelar massa ràpit per a que la provabilitat de que això ocorreguera fora significativa. A on sí ocorre este procés és en l'interior de les estrelas (en la fase RH (Branca horisontal)) a on este element és abundant, trobant-se ademés en atres cossos celests com els cometes i en les #atmòsfera dels planetes. Alguns meteorits contenen diamants microscòpics que es varen formar quan el sistema solar era encara un disc protoplanetario.

En combinacions en atres elements, el carbono es troba en l'atmòsfera terrestre i dissolt en l'aigua, i acompanyat de menors cantitats de calcio, magnesi i ferro forma enormes masses rocoses (calcàrea, dolomita, marbre, etc).

El grafit es troba en grans cantitats en Rússia, Estats Units, Mèxic, Groenlàndia i l'Índia.

Els diamants naturals es troben associats a roques volcàniques (kimberlita i lamproita). Els majors depòsits de diamants es troben en l'Àfrica (Suràfrica, Namíbia, Botswana, República del Congo i Sierra Leona). Existixen ademés depòsits importants en Canadà, Rússia, Brasil i Austràlia.^{cita requerida}

Composts inorgànics

El més important òxit de carbono és el diòxit de carbono (CO₂), un component minoritari de l'atmòsfera terrestre (de l'orde del 0,04 % en pes) produït i usat pels sers vius (vore cicle del carbono). En l'aigua forma traces d'àcit carbónico (H₂CO₃) —les bombetes de molts refrescs— pero, de la mateixa manera que atres composts similars, és inestable, encara que a través d'ell poden produir-se ionés carbonat estables per resonància. Alguns mineralés importants, com la calcita, són #carbonat.

Els atres òxits són el monòxit de carbono (CO) i el més rar subóxido de carbono (C₃O₂). El monòxit es forma durant la combustió incompleta de matèries orgàniques i és incoloro i vàter. Ya que la molècula de CO conté un enllaç triple, és molt polar, per lo que manifesta una acusada tendència a unir-se a la hemoglobina, formant un nou compost molt perillós denominat Carboxihemoglobina, impedint-li-ho a l'oxigen, per lo que es diu que és un asfixiant de substitució. El ion cianur (CN⁻), té una estructura similar i es comporta com els ions halur.

En metalés, el carbono forma tant carburs com acetiluros, abdós molt àcits. A pesar de tindre una electronegatividad alta, el carbono pot formar #carbur covalente com és el cas de carbur de silici (SiC) les propietats del qual s'assemblen a les del diamant.

Vore també: Química orgànica

Isòtops

Artícul principal → Isòtops del carbono.

En 1961 l'IUPAC va adoptar l'isòtop ¹²C com la base per a la massa atòmica dels elements químics.

El carbono-14 és un radioisòtop en un periodo de semidesintegración de 5730 anys que s'ampra de forma extensiva en la datació de espècimen orgànics.

Els isòtops naturals i estables del carbono són el ¹²C (98,89 %) i el ¹³C (1,11 %). Les proporcions d'estos isòtops en un ser viu s'expressen en variació (±‰) respecte de la referència VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite, fòssils cretácicos de belemnites, en Carolina del Sur). El δC-13 del CO₂ de l'atmòsfera terrestre és −7 ‰. El carbono fixat per fotosíntesis en els teixits de les plantas és significativament més pobra en ¹³C que el CO₂ de l'atmòsfera.

La majoria de les plantes presenten valors de δC-13 entre −24 i −34 ‰. Atres plantes aquàtiques, de desert, de marismas salades i herbes tropicals, presenten valors de δC-13 entre −6 i −19 ‰ per diferències en la reacció de fotosíntesis. Un tercer grup intermig constituït per les algas i líquenes presenten valors entre −12 i −23 ‰. L'estudi comparatiu dels valors de δC-13 en plantes i organismes pot proporcionar informació valiosa relativa a la cadena alimentícia dels sers vius.

Precaucions

Els composts de carbono tenen un ampli ranc de toxicitat. El monòxit de carbono, #present en els gasos d'escape dels motors de combustió i el cianur (CN) són extremadament tòxics per als mamífers, entre ells les persones. Els gasés orgànics eteno, etino i metà són explosius i inflamables en presència d'aire. Pel contrari, molts atres composts no són tòxics sino essencials per a la vida.

El carbono pur té una toxicitat extremadament baixa per als humans i pot ser manejat i inclús ingerit en forma segura en la forma de grafit o carboncillo. És resistent a la dissolució i atac químic, inclús en els continguts acidificados del tracto digestiu. Açò resulta que una volta que entra als teixits corporals lo més provable és que permaneixquen allí en forma indefinida. El negre de carbó va ser provablement el primer pigment en ser usat per a fer tatuages i es va trobar que Ötzi l'home del gèl tenia tatuages fets en carbó que varen sobreviure durant la seua vida i 5200 anys despuix de la seua mort. No obstant, l'inhalació en grans cantitats de la pols de carbó o suja (negre de carbó) pot ser perillós, en irritar els teixits del pulmó i causar una malaltia coneguda com neumoconiosis dels miners del carbó. De forma similar la pols de diamant usat com un abrasivo pot ser amolador si s'ingerix o inhala. També les micropartículas de carbó produïdes pels gasos d'escape dels motors diésel es poden acumular en els pulmons en ser inhalades. En estos eixemples, els efectes amoladors poden resultar de la contaminació de les partícules de carbó en elements químics orgànics o de metals pesats més que del carbó en sí mateixa.

Generalment el carbono té baixa toxicitat per a casi tota la vida en la Terra, no obstant, per a algunes criatures és tòxic - per eixemple, les nanopartículas de carbó són toxinas mortals per a la Drosophila.

També el carbono es pot cremar vigorosa i brillantemente en la presència d'aire a alta temperatura, com en el cas del Incendi de Windscale, el que va ser causat per la repentina lliberació d'energia Wigner acumulada en el núcleu de grafit. Grans acumulacions de carbó, que han permaneixcut inertes per centenars de millons d'anys en l'absència d'oxigen, poden incendiar-se espontàneament quan són expostes a l'aire, com per eixemple en els rebujos de les mines de carbó.

Entre la gran varietat de composts de carbono es poden incloure verís letals tals com la tetradotoxina, la ricina lectina obtinguda de les llavors de ricino (Ricinus communis), el cianur (CN⁻) i l'enverinament per monòxit de carbono.

Vore també

• Carbono 14
• Compost orgànic
• Canvi climàtic
• Chafada de carbono
• Economia baixa en carbono
• Objectius de Desenroll Sostenible
• Central termoelèctrica

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Carboni.

Archiu:Wikiquote-logo.svg Carboni en Viquidites. Carboni en el Viccionari.

• WebElements.com - Carbono
• EnvironmentalChemistry.com - Carbono
• It's Elemental - Carbono
• Institut Nacional de Seguritat i Higiene en el Treball d'Espanya Ficha internacional de seguritat química del carbono.

• La Química de Referència - Carbono