QUÍMICA - EL CARBONO : Descripción, usos , compuestos, carbono y vida.

 
 

Constituye uno de los elementos más importantes de la naturaleza, pues todos los compuestos orgánicos que forman la materia viva, sean vegetales o animales , lo contienen. El número de compuestos del carbono resulta mayor que el número total de todas las combinaciones de los restantes elementos. Por esta y otras razones, el estudio de los compuestos químicos se ha dividido en dos grupos: los que contienen carbono constituyen la química orgánica, o del carbono; el resto, lo estudia la química inorgánica, aunque en esta rama también se estudia el carbono como elemento y unos pocos de sus compuestos, como los carbonatos , óxidos de carbono, etc. Esta división, aunque arbitraria, se mantiene por razones históricas y didácticas. El símbolo del carbono es C; su número atómico 6; y su peso atómico, 12,01. Del carbono, que es un no metal, se conocen tres isótopos: carbono 12, 13 y 14. El 12 existe en la proporción de 98,892%, y el 14 es radiactivo. Como elemento libre, aparece en distintas formas que se comportan de la misma manera en las reacciones químicas ; todas arden y producen un gas , el dióxido de carbono, o anhídrido carbónico. Las formas más o menos impuras son aquellas con las que estamos más familiarizados: carbón de piedra o hulla, antracita, lignito y turba, que son carbones fósiles o naturales; coque, carbón de leña, negro de humo, etc., que son carbones artificiales. El carbono presenta dos formas: alotrópicas, el diamante , transparente y muy duro y el grafito, quebradizo o desmenuzable. La manera en que los átomos de carbono se unen entre sí señala las diferencias existentes entre el diamante y el grafito. Un vínculo de cuatro valencias une a un átomo de carbono con otros de su misma naturaleza; así por ejemplo, en el diamante, cada átomo de carbono está rodeado por otros cuatro átomos de dicho mineral. Todos se unen a los demás de la misma manera, y nunca lo hacen para tomar grupos separados. Debido a este tipo de unión es muy difícil quebrar un diamante, pues se necesitaría romper las mencionadas ligaduras entre los átomos. Por esto, el diamante se convierte en la sustancia más dura de todas las conocidas. En el grafito, los átomos se vinculan en grupos de seis y adoptan la forma de un hexágono. Las ligaduras que unen a los átomos de cada hexágono resultan muy firmes, pero no lo son las que unen a los hexágonos entre sí. Esto permite que los grupos de átomos se deslicen a veces, unos sobre otros o cambien de posición, lo que hace que se separen fácilmente. Por eso, el grafito es blando y resbaladizo.

La forma en que los átomos de carbono en las sustancias orgánicas se unen entre sí en cadenas, resulta excepcional. El enorme número de compuestos orgánicos del carbono es consecuencia de las distintas disposiciones de los átomos de este elemento al unirse en cadenas abiertas o cerradas. Por esto hay tantos compuestos orgánicos de carbono. Éste entra en la formación de los compuestos complejos de toda la materia viva. Además aparece en el suelo formando carbón y minerales, como la tiza, la piedra caliza o el mármol. Tales minerales están constituidos por carbonatos. El petróleo y el gas natural, por compuestos simples de carbono: los hidrocarburos . Todos los tipos de carbón que se encuentran en el suelo se forman a partir de la descomposición de restos de materia viva. En la atmósfera, el carbono aparece como anhídrido o dióxido de carbono. Se puede producir quemando restos de animales para obtener el carbón animal o vegetal para fabricar carbón de leña o quemando combustibles que producen el coque y el negro de humo.

Usos

Todas las formas de este elemento tienen diversas aplicaciones. Los diamantes se usan en joyería, pero las variedades grises y otras úsanse como abrasivos en la industria, debido a su extrema dureza. Por ello en el borde de las herramientas de corte se colocan pequeños diamantes.

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 es una forma cristalina del carbono con una estructura en capas con planos u hojas basales de átomos de carbono de empaque compacto . En consecuencia, el grafito es débil al corte a lo largo de las capas. Esta característica, a su vez, le da al grafito propiedades de baja fricción como lubricante sólido. Sin embargo, sus propiedades a la fricción son bajas únicamente en un entorno de aire u humedad; en vacío, el grafito es abrasivo y es un mal lubricante. A diferencia con otros materiales, la resistencia y la rigidez en el grafito se incrementan con la temperatura. 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 transversal 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.

El grafito está disponible en forma comercial en formas cuadradas, rectangulares o redondas en varios tamaños y se clasifica por lo general en orden decreciente de tamaño de grano: industrial, grano fino, y micrograno. Como en los cerámicos, las propiedades mecánicas del grafito mejoran con la disminución del tamaño del grano. El grafito macrograno puede ser impregnado con cobre; de esta forma se le utiliza en electrodos en el maquinado por descarga eléctrica y para dispositivos de hornos. Por lo regular el grafito es procesado primero mediante moldeo o formado, después se cocciona en horno y por último se maquina a su forma final.

  • Fibras de grafito. Un uso importante del grafito es en fibras en plásticos reforzados y en materiales compositos .
  • Espuma de carbono. Un desarrollo reciente es la espuma de carbono microcelular, con características isotrópicas de resistencia y una porosidad uniforme. Las aplicaciones posibles incluyen su uso como componentes de refuerzo en estructuras aerospaciales (creando así un material compuesto) que puede ser formado de forma directa.
  • Bolas Bucky. Un desarrollo más reciente es la producción de moléculas de carbono de forma de balones de fútbol, llamados bolas Bucky (por Bucleminster Fuller (1895- 1983), inventor del domo geodésico). También llamado falerenos, estas moléculas esféricas, químicamente inertes, se producen a partir del hollín y se comportan de una manera muy similar a partículas de lubricante sólido . Los fulerenos se convierten en superconductores al mezclarse con metales.

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:

  • a. material de herramienta de corte, en forma de monocristales o en forma polieristalina
  • b. como abrasivo en piedras de esmeril, para el esmerilado de materiales duros
  • e. para el rectificado de piedras de esmeril (es decir, para el afilado de los granos abrasivos)
  • d. como dados para el estirado de alambre con menos de 0.06 mm (0.0025 plg.) de diámetro, y
  • e. recubrimientos para herramientas de corte y dados

Compuestos

Muchos de los compuestos simples del carbono son de suma utilidad. El bisulfuro de carbono, líquido maloliente, se utiliza como solvente o insecticida. El carbono tiene dos óxidos: el monóxido y el dióxido de carbono. El tetracloruro de carbono se emplea en los extinguidores de incendio y en la tintorería. Otros grupos de compuestos de carbono que tienen variadas aplicaciones incluyen a los carbonatos. Los carburos son combinaciones de carbono con otro elemento. El de calcio se usa para producir gas de acetileno agregándole agua. El de silicio da un abrasivo muy duro, llamado también carborundum. Los glúcidos, ordinariamente llamados carbohidratos, o hidratos de carbono, forman un grupo de compuestos de carbono que tienen papel importantísimo en los seres vivos. Son combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, los dos últimos en igual proporción que en el agua. Cuando se los calienta, producen carbono y vapor de agua. Esto ocurre cuando el papel y la madera se carbonizan. Puede obtenerse una forma muy pura de carbono quemando azúcar, que es un hidrato de carbono.

Carbono y vida

El carbono en los seres vivos proviene del anhídrido carbónico del aire, las plantas toman el anhídrido para formar compuestos de carbono. Los animales los obtienen ingiriendo plantas. Cuando ambos mueren y se descomponen, el carbono vuelve al aire como anhídrido carbónico. Así, se produce un cielo del carbono que pasa del aire a los seres vivos y luego retoma a aquél .

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