Notas de la lección"Строение атома углерода. Валентные состояния атома углерода". Физические и химические свойства углерода!}

El carbono (del latín: carbo "carbón") es un elemento químico con el símbolo C y número atómico 6. Hay cuatro electrones disponibles para formar enlaces químicos covalentes. La sustancia no es metálica y tetravalente. Tres isótopos de carbono se encuentran naturalmente, el 12C y el 13C son estables, y el 14C es un isótopo radiactivo en descomposición con una vida media de aproximadamente 5.730 años. El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad. El carbono es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre y el cuarto elemento más abundante en el universo en masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. La abundancia de carbono, la diversidad única de sus compuestos orgánicos y su habilidad inusual formar polímeros a temperaturas que normalmente se encuentran en la Tierra, lo que permite que este elemento sirva elemento común para todas las formas de vida conocidas. Es el segundo elemento más abundante en el cuerpo humano en masa (alrededor del 18,5%) después del oxígeno. Los átomos de carbono pueden unirse de diferentes maneras, llamadas alótropos de carbono. Los alótropos más conocidos son el grafito, el diamante y el carbono amorfo. Las propiedades físicas del carbono varían ampliamente según la forma alotrópica. Por ejemplo, el grafito es opaco y negro, mientras que el diamante es muy transparente. El grafito es lo suficientemente blando como para formar una raya sobre el papel (de ahí su nombre, del verbo griego "γράφειν", que significa "escribir"), mientras que el diamante es el material más duro conocido en la naturaleza. El grafito es un buen conductor eléctrico, mientras que el diamante tiene baja conductividad eléctrica. En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen la conductividad térmica más alta de todos los materiales conocidos. Todos los alótropos del carbono son sólidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma termodinámicamente más estable. Son químicamente estables y requieren altas temperaturas para reaccionar incluso con el oxígeno. El estado de oxidación más común del carbono en compuestos inorgánicos es +4 y +2 en complejos carboxílicos de monóxido de carbono y un metal de transición. Las mayores fuentes de carbono inorgánico son las calizas, las dolomías y el dióxido de carbono, pero cantidades importantes provienen de depósitos orgánicos de carbón, turba, petróleo y clatratos de metano. El carbono forma una gran cantidad de compuestos, más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha y, sin embargo, este número es solo una fracción de la cantidad de compuestos teóricamente posibles en condiciones estándar. Por esta razón, a menudo se hace referencia al carbono como el "rey de los elementos".

Características

Los alótropos del carbono incluyen el grafito, una de las sustancias más blandas conocidas, y el diamante, la sustancia natural más dura. El carbono se une fácilmente a otros átomos pequeños, incluidos otros átomos de carbono, y es capaz de formar numerosos enlaces covalentes estables con átomos multivalentes adecuados. Se sabe que el carbono forma casi diez millones de compuestos diferentes, la gran mayoría de todos los compuestos químicos. El carbono también tiene la mayor punto álgido Sublimación entre todos los elementos. A presión atmosférica, no tiene punto de fusión ya que su punto triple es 10,8 ± 0,2 MPa y 4600 ± 300 K (~4330 °C o 7820 °F), por lo que se sublima alrededor de 3900 K. El grafito es mucho más reactivo que el diamante bajo condiciones estándar, a pesar de ser más estable termodinámicamente, ya que su sistema pi deslocalizado es mucho más vulnerable a los ataques. Por ejemplo, el grafito se puede oxidar con ácido nítrico concentrado caliente en condiciones estándar hasta ácido melítico C6(CO2H)6, que retiene las unidades hexagonales del grafito y al mismo tiempo destruye la estructura más grande. El carbono se sublima en un arco de carbono cuya temperatura es de aproximadamente 5.800 K (5.530 °C, 9.980 °F). Así, independientemente de su forma alotrópica, el carbono permanece sólido a temperaturas superiores a los puntos de fusión más altos, como el tungsteno o el renio. Aunque el carbono es termodinámicamente propenso a la oxidación, es más resistente a la oxidación que elementos como el hierro y el cobre, que son agentes reductores más débiles a temperatura ambiente. El carbono es el sexto elemento con una configuración electrónica en estado fundamental de 1s22s22p2, de los cuales los cuatro electrones externos son electrones de valencia. Sus primeras cuatro energías de ionización son 1086,5, 2352,6, 4620,5 y 6222,7 kJ/mol, mucho más altas que las de los elementos más pesados ​​del grupo 14. La electronegatividad del carbono es 2,5, significativamente mayor que la de los elementos más pesados ​​del grupo 14 (1,8-1,9), pero está cerca. a la mayoría de los no metales vecinos, así como a algunos metales de transición de la segunda y tercera fila. Generalmente se considera que los radios covalentes del carbono son 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) y 60,3 pm (C≡C), aunque pueden variar según el número de coordinación y lo que está unido al carbono. En general, el radio covalente disminuye a medida que disminuye el número de coordinación y aumenta el orden de enlace. Los compuestos de carbono forman la base de toda la vida conocida en la Tierra, y el ciclo carbono-nitrógeno proporciona parte de la energía liberada por el Sol y otras estrellas. Aunque el carbono forma una extraordinaria variedad de compuestos, la mayoría de las formas de carbono son relativamente no reactivas en condiciones normales. A temperaturas y presiones estándar, el carbono puede resistir todos los agentes oxidantes excepto los más fuertes. No reacciona con el ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, cloro o álcalis. En temperaturas elevadas, el carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono y elimina el oxígeno de los óxidos metálicos, dejando el metal elemental. Esta reacción exotérmica se utiliza en la industria siderúrgica para fundir hierro y controlar el contenido de carbono del acero:

    Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

con azufre para formar disulfuro de carbono y con vapor en la reacción carbón-gas:

    C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

El carbono se combina con ciertos metales a altas temperaturas para formar carburos metálicos, como la cementita del carburo de hierro del acero y el carburo de tungsteno, ampliamente utilizado como abrasivo y para fabricar puntas duras para herramientas de corte. El sistema de alótropos de carbono abarca varios extremos:

Algunas formas de grafito se utilizan para aislamiento térmico (como barreras contra incendios y escudos térmicos), pero otras formas son buenos conductores térmicos. El diamante es el conductor de calor natural más famoso. El grafito es opaco. El diamante es muy transparente. El grafito cristaliza en el sistema hexagonal. El diamante cristaliza en el sistema cúbico. El carbono amorfo es completamente isotrópico. Los nanotubos de carbono se encuentran entre los materiales anisotrópicos más conocidos.

Alótropos del carbono

El carbono atómico es una especie de vida muy corta y, por tanto, se estabiliza en diversas estructuras poliatómicas con diferentes configuraciones moleculares llamadas alótropos. Los tres alótropos del carbono relativamente conocidos son el carbono amorfo, el grafito y el diamante. Los fullerenos, que antes se consideraban exóticos, ahora se sintetizan y utilizan comúnmente en la investigación; estos incluyen buckybolas, nanotubos de carbono, nanopuntos de carbono y nanofibras. También se han descubierto varios otros alótropos exóticos, como la lonsaletita, el carbono vítreo, el carbono nanofaum y el carbono lineal de acetileno (carbina). En 2009, el grafeno se considera el material más resistente jamás probado. El proceso de separación del grafito requerirá un mayor desarrollo tecnológico antes de que resulte económico para los procesos industriales. Si tiene éxito, el grafeno podría utilizarse en la construcción de ascensores espaciales. También se puede utilizar para almacenar de forma segura hidrógeno para su uso en motores de automóviles basados ​​en hidrógeno. La forma amorfa es una colección de átomos de carbono en un estado vítreo, irregular y no cristalino en lugar de estar contenidos en una macroestructura cristalina. Está presente en forma de polvo y es el componente principal de sustancias como el carbón vegetal, el hollín de lámpara (hollín) y Carbón activado. A presiones normales, el carbono tiene la forma de grafito, en el que cada átomo está unido trigonalmente por otros tres átomos en un plano que consta de anillos hexagonales fusionados, como en los hidrocarburos aromáticos. La red resultante es bidimensional y las láminas planas resultantes se pliegan y se conectan libremente mediante fuerzas débiles de van der Waals. Esto le da al grafito sus propiedades de suavidad y división (las hojas se deslizan fácilmente unas sobre otras). Debido a la deslocalización de uno de los electrones externos de cada átomo para formar una nube π, el grafito conduce electricidad, pero sólo en el plano de cada lámina unida covalentemente. Esto da como resultado una conductividad eléctrica más baja para el carbono que para la mayoría de los metales. La deslocalización también explica la estabilidad energética del grafito sobre el diamante a temperatura ambiente. A presiones muy altas, el carbono forma un alótropo más compacto, el diamante, que tiene casi el doble de densidad que el grafito. Aquí, cada átomo está conectado tetraédricamente a otros cuatro, formando una red tridimensional de anillos arrugados de átomos de seis miembros. El diamante tiene la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio y, debido a la fuerza de sus enlaces carbono-carbono, es la sustancia natural más dura, medida por su resistencia al rayado. Contrariamente a la creencia popular de que "los diamantes duran para siempre", en condiciones normales son termodinámicamente inestables y se convierten en grafito. Debido a la alta barrera de energía de activación, la transición a la forma de grafito es tan lenta en temperatura normal que es invisible. Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsalita, una red cristalina hexagonal con todos los átomos unidos covalentemente y propiedades similares a las del diamante. Los fullerenos son una formación cristalina sintética con una estructura similar al grafito, pero en lugar de hexágonos, los fullerenos están compuestos por pentágonos (o incluso heptágonos) de átomos de carbono. Los átomos faltantes (o sobrantes) deforman las láminas y las convierten en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (divididos en buckybolas, bakitubos y nanobads) aún no se han analizado completamente y representan un área intensiva de investigación sobre nanomateriales. Los nombres "fullereno" y "buckyball" están asociados con el nombre de Richard Buckminster Fuller, el divulgador de las cúpulas geodésicas, que se asemejan en estructura a los fullerenos. Las buckybolas son moléculas bastante grandes formadas enteramente a partir de enlaces de carbono en forma trigonal, formando esferoides (el más famoso y simple es el buckynisterfellereno C60 con forma de pelota de fútbol). Los nanotubos de carbono son estructuralmente similares a las buckybolas, excepto que cada átomo está unido trigonalmente en una lámina curva que forma un cilindro hueco. Las nanobolas se introdujeron por primera vez en 2007 y son materiales híbridos (las buckybolas están unidas covalentemente a la pared exterior de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una sola estructura. De los otros alótropos descubiertos, la nanoespuma de carbono es un alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Consiste en un conjunto de grupos de átomos de carbono de baja densidad estirados juntos formando una red tridimensional suelta en la que los átomos están unidos trigonalmente en anillos de seis y siete miembros. Se encuentra entre los sólidos más ligeros con una densidad de aproximadamente 2 kg/m3. Del mismo modo, el carbón vítreo contiene una alta proporción de porosidad cerrada, pero a diferencia del grafito normal, las capas de grafito no están apiladas como las páginas de un libro, sino que están dispuestas de forma más aleatoria. El carbono de acetileno lineal tiene la estructura química - (C:::C)n-. El carbono en esta modificación es lineal con hibridación de orbitales sp y es un polímero con enlaces simples y triples alternos. Este carbino tiene un gran interés para la nanotecnología porque su módulo de Young es cuarenta veces mayor que el del material más duro, el diamante. En 2015, un equipo de la Universidad de Carolina del Norte anunció el desarrollo de otro alótropo, al que llamaron carbono Q, creado mediante un pulso láser de alta energía y baja duración sobre polvo de carbono amorfo. Se informa que el Q-carbon exhibe ferromagnetismo, fluorescencia y tiene una dureza superior a la de los diamantes.

Predominio

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo en masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. El carbono abunda en el Sol, las estrellas, los cometas y las atmósferas de la mayoría de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar todavía era un disco protoplanetario. Los diamantes microscópicos también pueden formarse bajo presión intensa y alta temperatura en zonas afectadas por meteoritos. En 2014, la NASA anunció una base de datos actualizada para rastrear los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en el Universo. Más del 20% del carbono del Universo puede estar asociado con HAP, compuestos complejos de carbono e hidrógeno sin oxígeno. Estos compuestos figuran en la hipótesis global de los HAP, donde se supone que desempeñan un papel en la abiogénesis y la formación de la vida. Los HAP parecen haberse formado "un par de miles de millones de años" después del Big Bang, están muy extendidos por todo el universo y están asociados con nuevas estrellas y exoplanetas. Se estima que la corteza terrestre en su conjunto contiene 730 ppm de carbono, 2.000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza combinados. Dado que la masa de la Tierra es 5,9 · 72 × 1024 kg, esto significaría 4360 millones de gigatoneladas de carbono. Esto es mucho más que la cantidad de carbono en los océanos o la atmósfera (abajo). Combinado con el oxígeno en el dióxido de carbono, el carbono se encuentra en la atmósfera terrestre (aproximadamente 810 gigatoneladas de carbono) y disuelto en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36.000 gigatoneladas de carbono). Hay alrededor de 1.900 gigatoneladas de carbono en la biosfera. Los hidrocarburos (como el carbón, el petróleo y el gas natural) también contienen carbono. Las "reservas" (no los "recursos") de carbón son de unas 900 gigatoneladas, con quizás 18.000 Gt de recursos. Las reservas de petróleo ascienden a unas 150 gigatoneladas. Las fuentes probadas de gas natural son unos 175.1012 metros cúbicos (que contienen unas 105 gigatoneladas de carbono), pero los estudios estiman otros 900.1012 metros cúbicos procedentes de depósitos “no convencionales” como el gas de esquisto, lo que equivale a unas 540 gigatoneladas de carbono. También se ha encontrado carbono en hidratos de metano en las regiones polares y bajo los mares. Según diversas estimaciones, la cantidad de este carbono es de 500, 2500 Gt o 3000 Gt. Antiguamente la cantidad de hidrocarburos era mayor. Según una fuente, entre 1751 y 2008, se liberaron a la atmósfera alrededor de 347 gigatoneladas de carbono en forma de dióxido de carbono procedente de la quema de combustibles fósiles. Otra fuente añade la cantidad añadida a la atmósfera desde 1750 a 879 Gt, y total en la atmósfera, el mar y la tierra (por ejemplo, turberas) es de casi 2000 Gt. El carbono es un constituyente (12% en masa) de masas muy grandes de rocas carbonatadas (piedra caliza, dolomita, mármol, etc.). El carbón contiene cantidades muy elevadas de carbono (la antracita contiene entre un 92% y un 98% de carbono) y es la mayor fuente comercial de carbono mineral, representando 4.000 gigatoneladas o el 80% de los combustibles fósiles. En términos de alótropos de carbono individuales, el grafito se encuentra en grandes cantidades en Estados Unidos (principalmente Nueva York y Texas), Rusia, México, Groenlandia e India. Los diamantes naturales se encuentran en la roca kimberlita, contenida en antiguos “cuellos” o “chimeneas” volcánicas. La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África, especialmente en Sudáfrica, Namibia, Botswana, la República del Congo y Sierra Leona. También se han encontrado depósitos de diamantes en Arkansas, Canadá, el Ártico ruso, Brasil y el norte y oeste de Australia. Actualmente también se están recuperando diamantes del fondo del océano frente al Cabo de Buena Esperanza. Los diamantes se producen de forma natural, pero ahora producen alrededor del 30% de todos los diamantes industriales utilizados en los Estados Unidos. El carbono-14 se forma en la troposfera superior y la estratosfera a altitudes de 9 a 15 km en una reacción que es depositada por los rayos cósmicos. Los neutrones térmicos se producen y chocan con los núcleos de nitrógeno-14 para formar carbono-14 y un protón. Por tanto, 1,2 × 1010% del dióxido de carbono atmosférico contiene carbono-14. Los asteroides ricos en carbono son relativamente dominantes en las partes exteriores del cinturón de asteroides de nuestro sistema solar. Estos asteroides aún no han sido examinados directamente por los científicos. Los asteroides podrían usarse en una hipotética minería de carbón basada en el espacio, lo que puede ser posible en el futuro pero que actualmente es tecnológicamente imposible.

Isótopos de carbono

Los isótopos de carbono son núcleos atómicos que contienen seis protones más una cantidad de neutrones (de 2 a 16). El carbono tiene dos isótopos estables y naturales. El isótopo carbono-12 (12C) forma el 98,93% del carbono en la Tierra y el carbono-13 (13C) forma el 1,07% restante. La concentración de 12C aumenta aún más en materiales biológicos, porque las reacciones bioquímicas discriminan el 13C. En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para los pesos atómicos. La identificación del carbono en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) se realiza con el isótopo 13C. El carbono-14 (14C) es un radioisótopo natural creado en la atmósfera superior (estratosfera inferior y troposfera superior) por la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos. Se encuentra en trazas en la Tierra en cantidades de hasta 1 parte por billón (0,0000000001%), principalmente en la atmósfera y los sedimentos superficiales, particularmente turba y otros materiales orgánicos. Este isótopo se desintegra durante la emisión β de 0,158 MeV. Debido a su vida media relativamente corta, de 5.730 años, el 14C está prácticamente ausente en las rocas antiguas. En la atmósfera y en los organismos vivos, la cantidad de 14C es casi constante, pero en los organismos disminuye después de la muerte. Este principio se utiliza en la datación por radiocarbono, inventada en 1949, que se ha utilizado ampliamente para datar materiales carbonosos de hasta 40.000 años de antigüedad. Hay 15 isótopos de carbono conocidos y el de vida más corta es el 8C, que se desintegra mediante emisión de protones y desintegración alfa y tiene una vida media de 1,98739 x 10-21 s. El exótico 19C exhibe un halo nuclear, lo que significa que su radio es significativamente mayor de lo que se esperaría si el núcleo fuera una esfera de densidad constante.

Educación en las estrellas

La formación de un núcleo atómico de carbono requiere una triple colisión casi simultánea de partículas alfa (núcleos de helio) dentro del núcleo de una estrella gigante o supergigante, lo que se conoce como proceso triple alfa, ya que los productos de reacciones de fusión nuclear adicionales del helio con El hidrógeno u otro núcleo de helio producen litio-5 y berilio -8 respectivamente, los cuales son muy inestables y se desintegran casi instantáneamente en núcleos más pequeños. Esto ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 megacalvin y concentraciones de helio, que son inaceptables en la rápida expansión y enfriamiento del Universo temprano y, por lo tanto, no se crearon cantidades significativas de carbono durante el Big Bang. Según la teoría moderna de la cosmología física, el carbono se forma en el interior de las estrellas en la rama horizontal mediante la colisión y transformación de tres núcleos de helio. Cuando estas estrellas mueren como supernovas, el carbono se dispersa en el espacio en forma de polvo. Este polvo se convierte en el material de construcción para la formación de sistemas estelares de segunda o tercera generación con planetas acretados. sistema solar es uno de esos sistemas estelares ricos en carbono que permite que exista la vida tal como la conocemos. El ciclo CNO es un mecanismo de fusión adicional que impulsa estrellas donde el carbono actúa como catalizador. Las transiciones rotacionales de diversas formas isotópicas de monóxido de carbono (como 12CO, 13CO y 18CO) se detectan en el rango de longitud de onda submilimétrica y se utilizan en el estudio de estrellas recién formadas en nubes moleculares.

Ciclo del carbono

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento en otro es un fenómeno muy raro. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es efectivamente constante. Por lo tanto, en los procesos que utilizan carbono, este debe obtenerse de algún lugar y utilizarse en otro lugar. Las rutas del carbono en el medio ambiente forman el ciclo del carbono. Por ejemplo, las plantas fotosintéticas extraen dióxido de carbono de la atmósfera (o del agua de mar) y lo convierten en biomasa, como en el ciclo de Calvin, el proceso de fijación de carbono. Parte de esta biomasa es consumida por los animales, mientras que parte del carbono es exhalado por los animales en forma de dióxido de carbono. El ciclo del carbono es mucho más complejo que este ciclo corto; por ejemplo, parte del dióxido de carbono se disuelve en los océanos; Si las bacterias no lo consumen, la materia vegetal o animal muerta puede convertirse en petróleo o carbón, que libera carbono cuando se quema.

Compuestos de carbono

El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono entrelazados, una propiedad llamada formación de cadenas. Los enlaces carbono-carbono son estables. Gracias a la catanación (formación de cadenas), el carbono forma innumerables compuestos. La evaluación de compuestos únicos muestra que una mayor cantidad de ellos contienen carbono. Se puede hacer una afirmación similar con respecto al hidrógeno porque la mayoría de los compuestos orgánicos también contienen hidrógeno. La forma mas simple Una molécula orgánica es un hidrocarburo, una gran familia de moléculas orgánicas que están formadas por átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. La longitud de la cadena, las cadenas laterales y los grupos funcionales influyen en las propiedades de las moléculas orgánicas. El carbono se encuentra en todas las formas de vida orgánica conocida y es la base de la química orgánica. Cuando se combina con hidrógeno, el carbono forma diversos hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, disolventes, materias primas químicas para plásticos y productos derivados del petróleo, y como combustibles fósiles. Cuando se combina con oxígeno e hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes, incluidos azúcares, lignanos, quitinas, alcoholes, grasas y ésteres aromáticos, carotenoides y terpenos. Con el nitrógeno, el carbono forma alcaloides y con la adición de azufre también forma antibióticos, aminoácidos y productos de caucho. Con la adición de fósforo a estos otros elementos, se forma ADN y ARN, los portadores del código químico de la vida, y trifosfato de adenosina (ATP), la molécula transportadora de energía más importante en todas las células vivas.

Compuestos inorgánicos

Normalmente, los compuestos que contienen carbono que están asociados con minerales o que no contienen hidrógeno o flúor se tratan por separado de los compuestos orgánicos clásicos; esta definición no es estricta. Entre ellos se encuentran los óxidos de carbono simples. El óxido más conocido es el dióxido de carbono (CO2). Esta sustancia alguna vez fue un componente importante de la paleoatmósfera, pero hoy es un componente menor de la atmósfera terrestre. Cuando se disuelve en agua, esta sustancia forma dióxido de carbono (H2CO3), pero, como la mayoría de los compuestos con varios monooxígenos en un carbono, es inestable. Sin embargo, a través de esta sustancia intermedia se forman iones carbonato estabilizados y resonantes. Algunos minerales importantes son los carbonatos, especialmente la calcita. El disulfuro de carbono (CS2) es similar. Otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Se forma durante una combustión incompleta y es un gas incoloro e inodoro. Cada molécula contiene un triple enlace y es bastante polar, lo que hace que se una constantemente a las moléculas de hemoglobina, desplazando al oxígeno, que tiene una menor afinidad de unión. El cianuro (CN-) tiene una estructura similar pero se comporta como iones haluro (pseudohalógeno). Por ejemplo, puede formar la molécula nitruro de cianógeno (CN)2), similar a los haluros de diatomeas. Otros óxidos poco comunes son el subóxido de carbono (C3O2), el monóxido de carbono inestable (C2O), el trióxido de carbono (CO3), la peptona de ciclopentano (C5O5), la hexona de ciclohexano (C6O6) y el anhídrido melítico (C12O9). Con metales reactivos como el tungsteno, el carbono forma carburos (C4-) o acetiluros (C2-2) para formar aleaciones con altos puntos de fusión. Estos aniones también están asociados con metano y acetileno, los cuales son ácidos muy débiles. Con una electronegatividad de 2,5, el carbono prefiere formar enlaces covalentes. Varios carburos son redes covalentes, como el carborundo (SiC), que se parece al diamante. Sin embargo, incluso los carburos más polares y salinos no son compuestos completamente iónicos.

Compuestos organometálicos

Los compuestos organometálicos, por definición, contienen al menos un enlace carbono-metal. Existe una amplia gama de dichos compuestos; las clases principales incluyen compuestos de alquil-metal simples (por ejemplo, tetraetilalida), compuestos de η2-alqueno (por ejemplo, sal de Zeise) y compuestos de η3-alilo (por ejemplo, dímero de cloruro de alilpaladio); metalocenos que contienen ligandos de ciclopentadienilo (por ejemplo, ferroceno); y complejos de carbeno de metales de transición. Hay muchos carbonilos metálicos (por ejemplo, tetracarbonilníquel); Algunos investigadores creen que el ligando de monóxido de carbono es un compuesto puramente inorgánico, en lugar de organometálico. Si bien se cree que el carbono forma exclusivamente cuatro enlaces, se ha informado de un compuesto interesante que contiene un átomo de carbono hexacoordinado octaédrico. El catión de este compuesto es 2+. Este fenómeno se explica por la aurofilicidad de los ligandos de oro. En 2016, se confirmó que el hexametilbenceno contenía un átomo de carbono con seis enlaces en lugar de los cuatro habituales.

Historia y etimología

El nombre inglés carbon proviene del latín carbo, que significa "carbón" y "carbón", de ahí la palabra francesa charbon, que significa "carbón". En alemán, holandés y danés, los nombres del carbono son Kohlenstoff, koolstof y kulstof respectivamente, y todos significan literalmente sustancia de carbón. El carbono se descubrió en tiempos prehistóricos y era conocido en forma de hollín y carbón vegetal en las primeras civilizaciones humanas. Los diamantes probablemente se conocían ya en el año 2500 a.C. en China, y el carbón en forma de carbón vegetal se obtenía en la época romana mediante la misma química que hoy en día, calentando madera en una pirámide cubierta con arcilla para excluir el aire. En 1722, René Antoine Ferjo de Reamur demostró que el hierro se convertía en acero mediante la absorción de una sustancia hoy conocida como carbono. En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón y diamantes y descubrió que ninguno de los dos producía agua y que ambas sustancias liberaban cantidades iguales de dióxido de carbono por gramo. En 1779, Karl Wilhelm Scheele demostró que el grafito, que se pensaba que era una forma de plomo, era idéntico al carbón vegetal pero con una pequeña mezcla de hierro, y que producía "ácido del aire" (que es dióxido de carbono) cuando se oxidaba con Ácido nítrico. En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge y C. A. Vandermonde confirmaron que el grafito era principalmente carbono oxidándolo en oxígeno de la misma manera que lo hizo Lavoisier con el diamante. De nuevo quedó algo de hierro, que los científicos franceses creían que era necesario para la estructura del grafito. En su publicación, propusieron el nombre carbone (del latín carbonum) para el elemento del grafito que se liberaba en forma de gas cuando se quemaba el grafito. Antoine Lavoisier luego incluyó al carbono como elemento en su libro de texto de 1789. Un nuevo alótropo del carbono, el fullereno, descubierto en 1985, incluye formas nanoestructuradas como las buckybolas y los nanotubos. Sus descubridores, Robert Curl, Harold Kroteau y Richard Smalley, recibieron premio Nobel en química en 1996. El renovado interés resultante en nuevas formas conduce al descubrimiento de alótropos exóticos adicionales, incluido el carbono vítreo, y a la comprensión de que el "carbono amorfo" no es estrictamente amorfo.

Producción

Grafito

Los depósitos de grafito natural comercialmente viables se encuentran en muchas partes del mundo, pero las fuentes económicamente más importantes se encuentran en China, India, Brasil y Corea del Norte. Los depósitos de grafito son de origen metamórfico y se encuentran asociados con cuarzo, mica y feldespatos en esquistos, gneis y areniscas y calizas metamorfoseadas en forma de lentes o vetas, a veces de varios metros o más de espesor. El suministro de grafito en Borrowdale, Cumberland, Inglaterra, era inicialmente de tamaño y pureza suficientes como para que hasta el siglo XIX los lápices se fabricaran simplemente aserrando bloques de grafito natural en tiras antes de pegarlas a la madera. Hoy en día, se producen depósitos más pequeños de grafito triturando la roca madre y haciendo flotar el grafito más ligero en el agua. Hay tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas o cristalino. El grafito amorfo es el de menor calidad y el más común. A diferencia de lo que ocurre en la ciencia, en la industria "amorfo" se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño en lugar de una falta total de estructura cristalina. La palabra "amorfo" se utiliza para describir productos con baja cantidad Grafito y es el grafito más barato. Grandes depósitos de grafito amorfo se encuentran en China, Europa, México y Estados Unidos. El grafito plano es menos común y de mayor calidad que el amorfo; aparece como placas individuales que cristalizan en rocas metamórficas. El precio del grafito granular puede ser cuatro veces mayor que el precio del grafito amorfo. Grafito en escamas buena calidad se puede procesar en grafito expandible para muchas aplicaciones, como retardantes de fuego. Los depósitos primarios de grafito se encuentran en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. El grafito líquido o en trozos es el tipo de grafito natural más raro, valioso y de mayor calidad. Se encuentra en vetas a lo largo de contactos intrusivos en piezas duras y sólo se extrae comercialmente en Sri Lanka. Según el USGS, la producción mundial de grafito natural en 2010 fue de 1,1 millones de toneladas, de las cuales China produjo 800.000 toneladas, India 130.000 toneladas, Brasil 76.000 toneladas, Corea del Norte 30.000 toneladas y Canadá (25.000 toneladas). , pero en 2009 se extrajeron 118.000 toneladas de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones de dólares.

Diamante

El suministro de diamantes está controlado por un número limitado de empresas y está muy concentrado en un pequeño número de lugares en todo el mundo. Sólo una proporción muy pequeña del mineral de diamante está formada por diamantes reales. El mineral se tritura, durante lo cual se debe tener cuidado para evitar que se destruyan diamantes grandes en el proceso, y luego las partículas se clasifican por densidad. Hoy en día, los diamantes se extraen de la fracción rica en diamantes mediante fluorescencia de rayos X, tras lo cual los pasos finales de clasificación se llevan a cabo manualmente. Antes del uso generalizado de los rayos X, la separación se realizaba mediante correas lubricantes; Se sabe que los diamantes se descubrieron únicamente en depósitos aluviales del sur de la India. Se sabe que es más probable que los diamantes se adhieran a la masa que otros minerales del mineral. La India fue líder en la producción de diamantes desde su descubrimiento alrededor del siglo IX a. C. hasta mediados del siglo XVIII d. C., pero el potencial comercial de estas fuentes se agotó a finales del siglo XVIII y, para entonces, la India había sido eclipsada por Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes en 1725. La producción de diamantes en depósitos primarios (kimberlitas y lamproitas) no comenzó hasta la década de 1870, después del descubrimiento de depósitos de diamantes en Sudáfrica. La producción de diamantes ha ido aumentando con el tiempo y desde esta fecha se ha acumulado un total de 4.500 millones de quilates. Alrededor del 20% de esta cantidad se ha producido sólo en los últimos cinco años, y en los últimos diez años han comenzado a producir nueve nuevos depósitos, y otros cuatro esperan ser descubiertos pronto. La mayoría de estos depósitos se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola y uno en Rusia. En Estados Unidos se han descubierto diamantes en Arkansas, Colorado y Montana. En 2004, el sorprendente descubrimiento de un diamante microscópico en los Estados Unidos dio lugar a la publicación, en enero de 2008, de una muestra masiva de tubos de kimberlita en una zona remota de Montana. Hoy en día, la mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encuentran en Rusia, Botswana, Australia y la República Democrática del Congo. En 2005, Rusia produjo casi una quinta parte del suministro mundial de diamantes, según el Servicio Geológico Británico. El tubo de diamante más rico de Australia alcanzó niveles máximos de producción de 42 toneladas métricas (41 t; 46 toneladas cortas) por año en la década de 1990. También hay depósitos comerciales, cuya producción activa se lleva a cabo en los Territorios del Noroeste de Canadá, Siberia (principalmente en Yakutia, por ejemplo, en Mir Pipe y Udachnaya Pipe), en Brasil, así como en el norte y el oeste. Australia.

Aplicaciones

El carbono es esencial para todos los sistemas vivos conocidos. Sin él, la existencia de la vida tal como la conocemos es imposible. El principal uso económico del carbono, además de los alimentos y la madera, es el de los hidrocarburos, principalmente los combustibles fósiles, el gas metano y el petróleo crudo. El petróleo crudo es procesado por refinerías de petróleo para producir gasolina, queroseno y otros productos. La celulosa es un polímero natural que contiene carbono producido por plantas en forma de madera, algodón, lino y cáñamo. La celulosa se utiliza principalmente para mantener la estructura de las plantas. Los polímeros de carbono de origen animal con valor comercial incluyen la lana, la cachemira y la seda. Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incluidos a intervalos regulares en la cadena polimérica principal. Las materias primas para muchos de estos sintéticos provienen del petróleo crudo. Los usos del carbono y sus compuestos son extremadamente diversos. El carbono puede formar aleaciones con el hierro, la más común de las cuales es el acero al carbono. El grafito se combina con arcillas para formar la “mina” que se utiliza en los lápices que se utilizan para escribir y dibujar. También se utiliza como lubricante y pigmento, como material de moldeo en la fabricación de vidrio, en electrodos para baterías secas y en galvanoplastia y electroformado, en escobillas para motores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares. El carbón se utiliza como material para hacer arte, como parrilla para barbacoa, para fundir hierro y tiene muchos otros usos. La madera, el carbón y el petróleo se utilizan como combustible para la producción de energía y la calefacción. Los diamantes de alta calidad se utilizan en la fabricación de joyas y los diamantes industriales se utilizan para perforar, cortar y pulir herramientas para trabajar metales y piedras. Los plásticos se fabrican a partir de hidrocarburos fósiles y la fibra de carbono, obtenida pirolizando fibras sintéticas de poliéster, se utiliza para reforzar los plásticos y formar materiales compuestos avanzados y livianos. La fibra de carbono se fabrica pirolizando hebras extruidas y estiradas de poliacrilonitrilo (PAN) y otras sustancias orgánicas. La estructura cristalina y las propiedades mecánicas de la fibra dependen del tipo de material de partida y del procesamiento posterior. Las fibras de carbono hechas de PAN tienen una estructura que se asemeja a hebras estrechas de grafito, pero el tratamiento térmico puede reorganizar la estructura en una lámina continua. Como resultado, las fibras tienen una resistencia a la tracción específica mayor que la del acero. El negro de humo se utiliza como pigmento negro en tintas de impresión, pinturas al óleo y acuarelas de artistas, papel carbón, acabados de automóviles, tintas e impresoras láser. El negro de humo también se utiliza como relleno en productos de caucho como neumáticos y en compuestos plásticos. El carbón activado se utiliza como absorbente y adsorbente en medios filtrantes en aplicaciones tan variadas como máscaras de gas, purificación de agua y campanas de cocina, así como en medicina para absorber toxinas, venenos o gases de sistema digestivo. El carbono se utiliza en la reducción química a altas temperaturas. El coque se utiliza para reducir el mineral de hierro a hierro (fundición). El endurecimiento del acero se logra calentando los componentes de acero acabados en polvo de carbono. Los carburos de silicio, tungsteno, boro y titanio se encuentran entre los materiales más duros y se utilizan como abrasivos para cortar y esmerilar. Los compuestos de carbono constituyen la mayoría de los materiales utilizados en la ropa, como los textiles y el cuero naturales y sintéticos, así como casi todas las superficies interiores en entornos distintos del vidrio, la piedra y el metal.

diamantes

La industria de los diamantes se divide en dos categorías, una de las cuales son diamantes (gemas) de alta calidad y la otra son diamantes de calidad industrial. Aunque existe un gran comercio de ambos tipos de diamantes, los dos mercados funcionan de manera muy diferente. A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino, los diamantes como piedras preciosas no se comercializan como una mercancía: los diamantes se venden con una prima significativa y el mercado de reventa de diamantes no es muy activo. Los diamantes industriales se valoran principalmente por su dureza y conductividad térmica, siendo en gran medida irrelevantes las cualidades gemológicas de claridad y color. Alrededor del 80% de los diamantes extraídos (equivalente a aproximadamente 100 millones de quilates o 20 toneladas por año) son inutilizables y se utilizan en la industria (chatarras de diamantes). Los diamantes sintéticos, inventados en la década de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi de inmediato; Anualmente se producen 3 mil millones de quilates (600 toneladas) de diamantes sintéticos. Los usos industriales dominantes del diamante son el corte, la perforación, el esmerilado y el pulido. La mayoría de estas aplicaciones no requieren diamantes grandes; de hecho, la mayoría de los diamantes son de calidad preciosa, a excepción de los diamantes. talla pequeña, se puede utilizar en la industria. Los diamantes se insertan en brocas o hojas de sierra o se muelen hasta convertirlos en polvo para usarlos en esmerilado y pulido. Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como almacenamiento para experimentos. alta presión, rodamientos de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especiales. Gracias a los avances en la producción de diamantes sintéticos, nuevas aplicaciones son cada vez más viables. Se ha prestado mucha atención al posible uso del diamante como semiconductor adecuado para microchips y, debido a su excepcional conductividad térmica, como disipador de calor en electrónica.

Carbono (lat. Carboneum) - elemento químico del grupo 14 del segundo período tabla periódica Mendeleev (grupo IV en la antigua numeración); número atómico 6, masa atomica 12,011.

El carbono es un elemento químico muy especial. De la química del carbono ha surgido un poderoso árbol de la química orgánica con sus síntesis más complejas y una inmensa gama de compuestos estudiados. Están surgiendo nuevas ramas de la química orgánica. Todos los seres vivos que componen la biosfera están formados por compuestos de carbono. Y los árboles que se extinguieron hace mucho tiempo, hace millones de años, se convirtieron en combustible que contiene carbono: carbón, turba, etc. Tomemos el lápiz más común, un objeto familiar para todos. ¿No es sorprendente que la humilde barra de grafito esté relacionada con el brillante diamante, la sustancia más dura de la naturaleza? El diamante, el grafito y el carbino son modificaciones alotrópicas del carbono (ver Alotropía). Estructura de grafito (1), diamante (2), carabina (3).

La historia del conocimiento humano de esta sustancia se remonta a siglos. Se desconoce el nombre de la persona que descubrió el carbono y no se sabe qué forma de carbono puro (grafito o diamante) se descubrió primero. Sólo a finales del siglo XVIII. Se reconoció que el carbono es un elemento químico independiente.

El contenido de carbono en la corteza terrestre es del 0,023% en masa. El carbono es el componente principal del mundo vegetal y animal. Todos los combustibles fósiles (petróleo, gas, turba, esquisto) se obtienen a base de carbono, y el carbón es especialmente rico en carbono. La mayor parte del carbono se concentra en minerales: piedra caliza CaCO 3 y dolomita CaMg(CO 3) 2, que son sales de metales alcalinotérreos y ácido carbónico débil H 2 CO 3.

Entre los elementos vitales, el carbono es uno de los más importantes: la vida en nuestro planeta se basa en el carbono. ¿Por qué? Encontramos la respuesta a esta pregunta en "Fundamentos de la química" de D.I Mendeleev: "El carbono se encuentra en la naturaleza tanto en estado libre como en estado conectivo, en muy buenas condiciones". diversas formas y tipos... La capacidad de los átomos de carbono para conectarse entre sí y dar partículas complejas se manifiesta en todos los compuestos de carbono... En ninguno de los elementos... la capacidad de complicación está desarrollada hasta tal punto como en el carbono. .. Ningún par de elementos produce tantos compuestos como el carbono con hidrógeno."

De hecho, los átomos de carbono pueden combinarse de diversas formas entre sí y con átomos de muchos otros elementos, formando una enorme variedad de sustancias. Sus enlaces químicos pueden formarse y destruirse bajo la influencia de factores naturales. Así surge el ciclo del carbono en la naturaleza: de la atmósfera a las plantas, de las plantas a los organismos animales, de ellos a la naturaleza inanimada, etc. Donde hay carbono, hay una variedad de sustancias, donde hay carbono, existen las estructuras más diversas en la arquitectura molecular (ver . Hidrocarburos).

La acumulación de carbono en la corteza terrestre está asociada a la acumulación de muchos otros elementos, precipitados en forma de carbonatos insolubles, etc. El CO 2 y el ácido carbónico juegan un papel geoquímico importante en la corteza terrestre. Durante el vulcanismo se liberan enormes cantidades de CO 2; en la historia de la Tierra, fue la principal fuente de carbono para la biosfera.

Los compuestos de carbono inorgánicos son mucho menores en cantidad que los orgánicos. El carbono en forma de diamante, grafito y carbón se combina sólo cuando se calienta. A altas temperaturas se combina con metales y algunos no metales, como el boro, para formar carburos.

De los compuestos de carbono inorgánico, los más famosos son las sales de ácido carbónico, el dióxido de carbono CO 2 (dióxido de carbono) y el monóxido de carbono CO. Mucho menos conocido es el tercer óxido, C 3 O 2, un gas incoloro con un olor acre desagradable.

La atmósfera terrestre contiene 2,3 10 12 toneladas de dióxido de CO 2, producto de la respiración y la combustión. Esta es la principal fuente de carbono para el desarrollo de las plantas. Monóxido de carbono CO, conocido como monóxido de carbono, se forma durante la combustión incompleta del combustible: en los gases de escape de los automóviles, etc.

En la industria, el monóxido de carbono CO se utiliza como agente reductor (por ejemplo, al fundir hierro fundido en altos hornos) y para la síntesis de sustancias orgánicas (por ejemplo, alcohol metílico según la reacción: CO + 2H 2 → CH 3 ( OH).

Las modificaciones alotrópicas más famosas del carbono elemental: diamante- polímero inorgánico de estructura espacial y volumétrica; grafito- polímero de estructura plana; carabina- un polímero lineal de carbono, que existe en dos formas, que se diferencian por la naturaleza y la alternancia de enlaces químicos; modificación bidimensional grafeno; nanotubos de carbon estructura cilíndrica. (ver Alotropía).

Diamante- una forma cristalina de carbono, un mineral raro, superior en dureza a todos los materiales naturales y artificiales, excepto el nitruro de boro cristalino. Los grandes cristales de diamantes, después del corte, se convierten en la piedra más preciosa: los diamantes.

A finales del siglo XVII. Los científicos florentinos Averani y Tardgioni intentaron fusionar varios diamantes pequeños en uno grande y los calentaron con los rayos del sol utilizando vidrio quemado. Los diamantes desaparecieron, ardiendo en el aire... Pasaron unos cien años antes de que el químico francés A. Lavoisier en 1772 no sólo repitiera este experimento, sino que también explicara las razones de la desaparición del diamante: un cristal de un diamante precioso se quemó de la misma forma que en otros experimentos se quemaron piezas de fósforo y carbón. Y recién en 1797, el científico inglés S. Tennant demostró la identidad de la naturaleza del diamante y el carbón. Descubrió que los volúmenes de dióxido de carbono después de la combustión de masas iguales de carbón y diamante resultaban ser los mismos. Después de esto, se hicieron muchos intentos de obtener diamantes artificialmente a partir de grafito, carbón y materiales que contienen carbono a altas temperaturas y presiones. A veces, después de estos experimentos, se encontraron pequeños cristales parecidos a diamantes, pero nunca fue posible realizar experimentos exitosos.

La síntesis del diamante fue posible después de que el físico soviético O.I. Leypunsky calculara en 1939 las condiciones bajo las cuales el grafito podía convertirse en diamante (presión de aproximadamente 60.000 atm, temperatura de 1600-2000 °C). En los años 50. siglo, casi simultáneamente en varios países, incluida la URSS, se obtuvieron diamantes artificiales en condiciones industriales. Hoy en día, en una instalación industrial doméstica se producen diariamente 2.000 quilates de diamantes artificiales (1 quilate = 0,2 g). Las brocas de diamante de las plataformas de perforación, las herramientas de corte de diamante y las muelas abrasivas con virutas de diamante funcionan de forma fiable y durante mucho tiempo. Los diamantes artificiales, al igual que los cristales naturales, se utilizan ampliamente en la tecnología moderna.

En la práctica se utiliza aún más ampliamente otro polímero puramente de carbono: grafito. En un cristal de grafito, los átomos de carbono que se encuentran en el mismo plano están estrechamente unidos formando hexágonos regulares. Los hexágonos con caras comunes forman planos de paquete. Los enlaces entre átomos de carbono de diferentes pilas son débiles. Además, la distancia entre átomos de carbono de diferentes planos es casi 2,5 veces mayor que entre átomos vecinos del mismo plano. Por lo tanto, una ligera fuerza es suficiente para dividir el cristal de grafito en escamas individuales. Por eso la mina de grafito de un lápiz deja una marca en el papel. Es incomparablemente más difícil destruir el enlace entre átomos de carbono que se encuentran en el mismo plano. La fuerza de estos enlaces es la razón de la alta resistencia química del grafito. Incluso los álcalis y ácidos calientes no le afectan, a excepción del ácido nítrico concentrado.

Además de su alta resistencia química, el grafito también se caracteriza por su alta resistencia al calor: los productos fabricados con él se pueden utilizar a temperaturas de hasta 3700 °C. La capacidad de conducir corriente eléctrica ha determinado muchas áreas de aplicación del grafito. Es necesario en ingeniería eléctrica, metalurgia, producción de pólvora y tecnología nuclear. En la construcción de reactores se utiliza grafito de la más alta pureza como moderador de neutrones eficaz.

Polímero de carbono lineal - carabina hasta ahora se ha utilizado en la práctica de forma limitada. En la molécula de carbino, los átomos de carbono están conectados en cadenas alternativamente por enlaces triples y simples:

−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−

Esta sustancia fue obtenida por primera vez por los químicos soviéticos V.V Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin y Yu.P. en el Instituto de Compuestos Organoelementos de la Academia de Ciencias de la URSS. Carbyne tiene propiedades semiconductoras y su conductividad aumenta enormemente cuando se expone a la luz. La primera aplicación práctica se basa en esta propiedad: en las fotocélulas.

En la molécula de otra forma de carbino, el policumuleno (β-carbino), también obtenido por primera vez en nuestro país, los átomos de carbono están conectados de manera diferente que en el carbino, solo mediante dobles enlaces:

═C═C═C═C═C═C═C═C═C═

El número de compuestos orgánicos conocidos por la ciencia (compuestos de carbono) supera los 7 millones. La química de los polímeros (naturales y sintéticos) también es principalmente la química de los compuestos de carbono. Los compuestos de carbono orgánico son estudiados por ciencias independientes como la química orgánica, la bioquímica y la química de compuestos naturales.

La importancia de los compuestos de carbono en la vida humana es invaluable: el carbono fijo nos rodea en todas partes: en la atmósfera y la litosfera, en las plantas y los animales, en nuestra ropa y en nuestros alimentos.

Propiedades químicas Radio covalente 77 pm Radio de iones 16 (+4e) 260 (-4e) pm Electronegatividad 2,55 (escala Pauling) Estados de oxidación 4 , 3 , 2, 1 , , , , , -4 Energía de ionización
(primer electrón) 1085,7 (11,25) kJ/mol (eV) Propiedades termodinámicas de una sustancia simple. Densidad (en condiciones normales) 2,25 (grafito) g/cm³ Temperatura de fusión 3550°C temperatura de ebullición 5003K; 4830°C Punto crítico 4130, 12MPa Capacidad calorífica molar 8,54 (grafito) J/(K mol) Volumen molar 5,3 cm³/mol Red cristalina de una sustancia simple. estructura reticular hexagonal (grafito), cúbica (diamante) Parámetros de red a=2,46; c=6,71 (grafito); a=3.567 (diamante) Actitud C/a 2,73 (grafito) Temperatura de Debye 1860 (diamante) Otras características Conductividad térmica (300 K) 1,59 W/(m·K) número CAS 7440-44-0 Espectro de emisión

La capacidad del carbono para formar cadenas de polímeros da lugar a una enorme clase de compuestos a base de carbono llamados orgánicos, que son mucho más numerosos que los inorgánicos y son el estudio de la química orgánica.

Historia

A principios de los siglos XVII-XVIII. Surgió la teoría del flogisto, propuesta por Johann Becher y Georg Stahl. Esta teoría reconocía la presencia en cada cuerpo combustible de una sustancia elemental especial, un fluido ingrávido, el flogisto, que se evapora durante el proceso de combustión. Dado que cuando se quema una gran cantidad de carbón sólo queda una pequeña cantidad de ceniza, los flogísticos creían que el carbón era casi flogisto puro. Esto es lo que explica, en particular, el efecto "flogisticante" del carbón: su capacidad para restaurar metales a partir de "cal" y minerales. Los flogistos posteriores, Réaumur, Bergman y otros, ya habían comenzado a comprender que el carbón era una sustancia elemental. Sin embargo, el "carbón limpio" fue reconocido por primera vez como tal por Antoine Lavoisier, quien estudió el proceso de combustión del carbón y otras sustancias en el aire y el oxígeno. En el libro de Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet y Fourcroix "Método nomenclatura química"(1787) apareció el nombre “carbono” (carbone) en lugar del francés “carbón puro” (charbone pur). Bajo el mismo nombre, el carbono aparece en la “Tabla cuerpos simples"en el Libro de texto elemental de química de Lavoisier.

origen del nombre

EN principios del XIX Durante siglos, en la literatura química rusa se utilizó a veces el término “solución de carbono” (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Desde 1824, Soloviev introdujo el nombre "carbono". Los compuestos de carbono tienen parte en su nombre. carbohidratos (él)- de lat. carbo (n. carbonis) "carbón".

Propiedades físicas

El carbono existe en muchas modificaciones alotrópicas con muy diversos propiedades físicas. La variedad de modificaciones se debe a la capacidad del carbono para formar enlaces químicos de distintos tipos.

Isótopos de carbono

El carbono natural se compone de dos isótopos estables: 12 C (98,93%) y 13 C (1,07%) y un isótopo radiactivo 14 C (emisor β, T ½ = 5730 años), concentrado en la atmósfera y la parte superior de la Tierra. ladrar. Se forma constantemente en las capas inferiores de la estratosfera como resultado del impacto de los neutrones de la radiación cósmica sobre los núcleos de nitrógeno según la reacción: 14 N (n, p) 14 C, y también, desde mediados de los años 50, como un producto artificial de las centrales nucleares y como resultado de las pruebas de bombas de hidrógeno.

Modificaciones alotrópicas del carbono.

Carbono cristalino

Carbono amorfo

  • Carbón Fósil: Antracita y Carbón Fósil.
  • Coque de carbón, coque de petróleo, etc.

En la práctica, por regla general, las formas amorfas enumeradas anteriormente son compuestos químicos con un alto contenido de carbono, y no la forma alotrópica pura del carbono.

Formas de racimo

Estructura

El carbono líquido existe sólo bajo una cierta presión externa. Puntos triples: grafito - líquido - vapor t= 4130K, R= 10,7 MPa y grafito - diamante - líquido t≈ 4000K, R≈ 11 GPa. Línea de equilibrio grafito - líquido en fase R, t- el diagrama tiene una pendiente positiva, que se vuelve negativa a medida que se acerca al punto triple grafito - diamante - líquido, que está asociado con propiedades únicas Los átomos de carbono crean moléculas de carbono que constan de un número variable de átomos (de dos a siete). La pendiente de la línea de equilibrio diamante-líquido, en ausencia de experimentos directos en la región de temperaturas muy altas (>4000-5000 K) y presiones (>10-20 GPa), se consideró negativa durante muchos años. Los experimentos directos realizados por investigadores japoneses y el procesamiento de los datos experimentales obtenidos, teniendo en cuenta la capacidad calorífica anormal del diamante a alta temperatura, mostraron que la pendiente de la línea de equilibrio diamante-líquido es positiva, es decir, el diamante es más pesado que su líquido. (en el derretimiento se hundirá y no flotará como el hielo en el agua).

Diamantes ultradispersos (nanodiamantes)

En la década de 1980, en la URSS, se descubrió que bajo condiciones de carga dinámica de materiales que contienen carbono, se pueden formar estructuras similares a diamantes, llamadas diamantes ultrafinos (UDD). Actualmente, el término “nanodiamantes” se utiliza cada vez más. El tamaño de las partículas de estos materiales es de unos pocos nanómetros. Las condiciones para la formación de UDD se pueden realizar durante la detonación de explosivos con un balance de oxígeno negativo significativo, por ejemplo, mezclas de TNT con hexógeno. Estas condiciones también pueden darse durante los impactos de cuerpos celestes sobre la superficie de la Tierra en presencia de materiales que contienen carbono (materia orgánica, turba, carbón, etc.). Así, en la zona de caída del meteorito de Tunguska se descubrieron UDA en el suelo del bosque.

carabina

La modificación cristalina del carbono del sistema hexagonal con una estructura de cadena de moléculas se llama carbino. Las cadenas tienen una estructura de polieno (−C≡C−) o una estructura de policumuleno (=C=C=). Se conocen varias formas de carbino, que se diferencian en el número de átomos en la celda unitaria, el tamaño de la celda y la densidad (2,68-3,30 g/cm³). El carbino se presenta en la naturaleza en forma de mineral caoíta (vetas blancas e inclusiones en el grafito) y se obtiene artificialmente por deshidropolicondensación oxidativa del acetileno, por la acción de la radiación láser sobre el grafito, a partir de hidrocarburos o por CCl 4 en plasma a baja temperatura.

El carbino es un polvo negro cristalino fino (densidad 1,9-2 g/cm³) y tiene propiedades semiconductoras. Obtenido en condiciones artificiales a partir de largas cadenas de átomos de carbono paralelos entre sí.

El carbino es un polímero lineal de carbono. En la molécula de carbino, los átomos de carbono están conectados en cadenas alternativamente mediante enlaces triples y simples (estructura de polieno) o permanentemente mediante enlaces dobles (estructura de policumuleno). Esta sustancia fue obtenida por primera vez por los químicos soviéticos V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin y Yu.P. Kudryavtsev a principios de la década de 1960 en la Academia de Ciencias de la URSS. Carbyne tiene propiedades semiconductoras y su conductividad aumenta enormemente cuando se expone a la luz. La primera aplicación práctica se basa en esta propiedad: en células fotovoltaicas.

Fullerenos y nanotubos de carbono.

El carbono también se conoce en forma de partículas agrupadas C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 y similares (fullerenos), así como grafenos, nanotubos y estructuras complejas: astralenos.

Carbono amorfo (estructura)

La estructura del carbono amorfo se basa en la estructura desordenada del grafito monocristalino (siempre contiene impurezas). Se trata de coque, hullas y hullas, negro de humo, hollín y carbón activado.

Grafeno

El grafeno es una modificación alotrópica bidimensional del carbono, formada por una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, conectados mediante enlaces sp² en una red cristalina bidimensional hexagonal.

Estar en la naturaleza

Se ha estimado que la Tierra en su conjunto está compuesta por 730 ppm de carbono, con 2000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza. Dado que la masa de la Tierra es 5,972⋅10 24 kg, esto implica la presencia de 4360 millones de gigatoneladas de carbono.

En estado de conexión carbón forma parte de las llamadas sustancias orgánicas, es decir, muchas sustancias que se encuentran en el cuerpo de cada planta y animal. Se encuentra en forma de dióxido de carbono en el agua y el aire, y en forma de sales de dióxido de carbono y residuos orgánicos en el suelo y la masa de la corteza terrestre. Todo el mundo conoce la variedad de sustancias que componen el cuerpo de animales y plantas. Cera y aceite, trementina y resina, papel de algodón y proteínas, tejido de células vegetales y tejido muscular animal, ácido tartárico y almidón: todas estas y muchas otras sustancias incluidas en los tejidos y jugos de plantas y animales son compuestos de carbono. El campo de los compuestos de carbono es tan grande que constituye una rama especial de la química, es decir, la química del carbono o, mejor, de los compuestos de hidrocarburos”.

Estas palabras de "Fundamentos de química" de D.I. Mendeleev sirven como una especie de epígrafe ampliado de nuestra historia sobre el elemento vital: el carbono. Sin embargo, aquí hay una tesis que, desde el punto de vista de la ciencia moderna de la materia, puede ser discutida, pero hablaremos de ella más adelante.

Probablemente tengas suficientes dedos en tus manos para contar elementos químicos, al que no se le ha dedicado al menos un libro científico. Pero un libro de divulgación científica independiente (no un folleto de 20 páginas incompletas con una cubierta de papel de regalo, sino un volumen completamente sólido de casi 500 páginas) contiene sólo un elemento: el carbono.

En general, la literatura sobre el carbono es muy rica. Se trata, en primer lugar, de todos los libros y artículos de químicos orgánicos sin excepción; en segundo lugar, casi todo lo relacionado con polímeros; en tercer lugar, innumerables publicaciones relacionadas con los combustibles fósiles; En cuarto lugar, una parte importante de la literatura biomédica...

Por lo tanto, no intentaremos abrazar la inmensidad (después de todo, ¡no es casualidad que los autores del popular libro sobre el elemento número 6 lo llamaran “Inagotable”!, sino que nos centraremos solo en lo principal de lo principal. - Intentaremos ver el carbono desde tres puntos de vista.

El carbono es uno de los pocos elementos."sin clan, sin tribu." La historia de la interacción humana con esta sustancia se remonta a tiempos prehistóricos. Se desconoce el nombre del descubridor del carbono y tampoco se sabe qué forma de carbono elemental (diamante o grafito) se descubrió primero. Ambos sucedieron hace demasiado tiempo. Sólo se puede decir con certeza una cosa: antes del diamante y antes del grafito, se descubrió una sustancia que hace apenas unas décadas se consideraba la tercera forma amorfa del carbono elemental: el carbón. Pero en realidad, el carbón vegetal, incluso el carbón vegetal, no es carbono puro. Contiene hidrógeno, oxígeno y trazas de otros elementos. Es cierto que se pueden eliminar, pero aun así el carbono del carbón no se convertirá en una modificación independiente del carbono elemental. Esto no se estableció hasta el segundo cuarto de nuestro siglo. El análisis estructural mostró que el carbono amorfo es esencialmente lo mismo que el grafito. Esto quiere decir que no es amorfo, sino cristalino; sólo sus cristales son muy pequeños y tienen más defectos. Después de esto, comenzaron a creer que el carbono en la Tierra existe solo en dos formas elementales: en forma de grafito y diamante.

¿Ha pensado alguna vez en las razones del marcado “punto de inflexión” de propiedades que se produce en el segundo período corto de la tabla periódica a lo largo de la línea que separa el carbono del siguiente nitrógeno? El nitrógeno, el oxígeno y el flúor son gaseosos en condiciones normales. El carbono, en cualquier forma, es un sólido. El punto de fusión del nitrógeno es de -210,5°C, y el del carbono (en forma de grafito bajo una presión de más de 100 atm) es de aproximadamente más 4000°C...

Dmitry Ivanovich Mendeleev fue el primero en sugerir que esta diferencia se explica por la estructura polimérica de las moléculas de carbono. Escribió: "Si el carbono formara una molécula de C 2, como O 2, sería un gas". Y además: “La capacidad de los átomos de carbón para conectarse entre sí y formar moléculas complejas se manifiesta en todos los compuestos de carbono. En ningún otro elemento esta capacidad de complejidad se desarrolla tanto como en el carbono. Hasta el día de hoy no existe ninguna base para determinar el grado de polimerización de las moléculas de carbón, grafito o diamante; sólo se puede pensar que contienen Cn, donde n es un valor grande”.

Carbono y sus polímeros.

Esta suposición ha sido confirmada en nuestro tiempo. Tanto el grafito como el diamante son polímeros que constan de los mismos átomos de carbono.

Según la acertada observación del profesor Yu.V. Khodakov, “si partimos de la naturaleza de las fuerzas que se están superando, la profesión de cortador de diamantes podría clasificarse como una profesión química”. De hecho, el cortador no tiene que superar las fuerzas relativamente débiles de la interacción intermolecular, sino las fuerzas de los enlaces químicos que unen los átomos de carbono en una molécula de diamante. Cualquier cristal de diamante, incluso el enorme Cullinan de seiscientos gramos, es esencialmente una molécula, una molécula de un polímero tridimensional muy regular y casi perfectamente estructurado.

El grafito es un asunto diferente. Aquí, la ordenación de los polímeros se extiende sólo en dos direcciones: a lo largo del plano y no en el espacio. En una pieza de grafito, estos planos forman un paquete bastante denso, cuyas capas están conectadas entre sí no por fuerzas químicas, sino por fuerzas más débiles de interacción intermolecular. Por eso el grafito se exfolia tan fácilmente, incluso al entrar en contacto con el papel. Al mismo tiempo, es muy difícil romper una placa de grafito en la dirección transversal: existe un enlace químico que se opone a ella.

son las caracteristicas estructura molecular Explique la enorme diferencia entre las propiedades del grafito y el diamante. El grafito es un excelente conductor de calor y electricidad, mientras que el diamante es un aislante. El grafito no transmite luz en absoluto; el diamante es transparente. No importa cómo se oxide el diamante, el producto de oxidación sólo será CO 2 . Y al oxidar el grafito, si se desea, se pueden obtener varios productos intermedios, en particular los ácidos grafítico (composición variable) y melítico C 6 (COOH) 6. El oxígeno parece encajarse entre las capas del paquete de grafito y oxida sólo algunos átomos de carbono. No hay puntos débiles en un cristal de diamante y, por lo tanto, es posible una oxidación completa o una no oxidación completa; no existe una tercera opción...

Entonces, hay un polímero "espacial" de carbono elemental y uno "plano". En principio, durante mucho tiempo se ha asumido la existencia de un polímero de carbono lineal "unidimensional", pero no se ha encontrado en la naturaleza.

No fue encontrado por el momento. Unos años después de su síntesis, se encontró un polímero lineal de carbono en cráter de meteorito, en el territorio de Alemania. Y los primeros en obtenerlo fueron los químicos soviéticos V.V Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kudryavtsev. El polímero lineal de carbono se llamó carbino. Exteriormente, parece un polvo negro fino y cristalino, tiene propiedades semiconductoras y, bajo la influencia de la luz, la conductividad eléctrica del carbino aumenta considerablemente. Carbyne ha descubierto propiedades completamente inesperadas. Resultó, por ejemplo, que la sangre al entrar en contacto con ella no forma coágulos (trombos), por lo que la fibra recubierta con carabina comenzó a usarse en la fabricación de vasos sanguíneos artificiales que no son rechazados por el cuerpo.

Según los descubridores del carbino, lo más difícil para ellos fue determinar mediante qué enlaces estaban conectados los átomos de carbono en una cadena. Podría tener enlaces simples y triples alternos (-C = C-C=C -C=), o solo podría tener enlaces dobles (=C=C=C=C=)... O podría tener ambos al mismo tiempo. . Sólo unos años más tarde, Korshak y Sladkov lograron demostrar que no hay dobles enlaces en el carbino. Sin embargo, dado que la teoría permitía la existencia de un polímero lineal de carbono con sólo dobles enlaces, se intentó obtener esta especie, esencialmente una cuarta modificación del carbono elemental.

Carbono en minerales

Esta sustancia se obtuvo en el Instituto de Compuestos Organoelementos de la Academia de Ciencias de la URSS. El nuevo polímero lineal de carbono se llamó policumuleno. Y ahora se conocen al menos ocho polímeros de carbono lineales, que se diferencian entre sí en la estructura de la red cristalina. En la literatura extranjera a todos se les llama carabinas.

Este elemento es siempre tetravalente, pero como se encuentra justo en el medio del período, su estado de oxidación en diferentes circunstancias es a veces +4, a veces - 4. En reacciones con no metales es electropositivo, con metales, viceversa. Incluso en los casos en que el enlace no es iónico, sino covalente, el carbono permanece fiel a sí mismo: su valencia formal sigue siendo igual a cuatro.

Hay muy pocos compuestos en los que el carbono exhiba al menos formalmente una valencia distinta de cuatro. Generalmente sólo se conoce uno de estos compuestos: el CO, monóxido de carbono, en el que el carbono parece divalente. Parece precisamente porque en realidad aquí hay un tipo de conexión más compleja. Los átomos de carbono y oxígeno están conectados por un enlace polarizado de 3 covalentes y la fórmula estructural de este compuesto se escribe de la siguiente manera: O+=C.

En 1900, M. Gomberg obtuvo el compuesto orgánico trifenilmetilo (C 6 H 5) 3 C. Parecía que aquí el átomo de carbono era trivalente. Pero luego resultó que esta vez la valencia inusual era puramente formal. El trifenilmetilo y sus análogos son radicales libres, pero a diferencia de la mayoría de los radicales, son bastante estables.

Históricamente, muy pocos compuestos de carbono han permanecido bajo el techo de la química inorgánica. Estos son óxidos de carbono, carburos, sus compuestos con metales, así como boro y silicio, carbonatos, sales del ácido carbónico más débil, disulfuro de carbono CS 2 y compuestos de cianuro. Tenemos que consolarnos con el hecho de que, como suele suceder (o ha sucedido) en la producción, las deficiencias en la nomenclatura se compensan con el "eje". De hecho, la mayor parte del carbono de la corteza terrestre no está contenida en los organismos de plantas y animales, ni en el carbón, el petróleo y todas las demás materias orgánicas en conjunto, sino sólo en dos compuestos inorgánicos: la piedra caliza CaCO 3 y la dolomita MgCa( CO 3) 2. El carbono forma parte de varias docenas de minerales más; basta recordar el mármol CaCO 3 (con aditivos), malaquita Cu 2 (OH) 2 CO 3, mineral de zinc Smithsonita ZnCO 3 ... Hay carbono tanto en rocas ígneas como en esquistos cristalinos.

Los minerales que contienen carburos son muy raros. Por regla general, se trata de sustancias de origen especialmente profundo; Por tanto, los científicos suponen que hay carbono en el núcleo del globo.

Para la industria química, el carbono y sus compuestos inorgánicos son de gran interés, a menudo como materia prima y menos frecuentemente como material de construcción.

Muchos equipos de producción química, como los intercambiadores de calor, están hechos de grafito. Y esto es natural: el grafito tiene una gran resistencia al calor y a los productos químicos y, al mismo tiempo, conduce bien el calor. Por cierto, gracias a estas mismas propiedades, el grafito se ha convertido en un material importante para la tecnología a reacción. Los timones están hechos de grafito y funcionan directamente en la llama del aparato de tobera. Es casi imposible encender el grafito en el aire (incluso en oxígeno puro esto no es fácil de hacer), y para evaporar el grafito, se necesita una temperatura mucho más alta que la que se desarrolla incluso en motor de cohete. Y, además, a presión normal, el grafito, como el granito, no se funde.

Es difícil imaginar la producción electroquímica moderna sin grafito. Los electrodos de grafito no solo los utilizan los electrometalúrgicos, sino también los químicos. Baste recordar que en los electrolizadores utilizados para producir sosa cáustica y cloro, los ánodos son de grafito.

uso de carbono

Se han escrito muchos libros sobre el uso de compuestos de carbono en la industria química. El carbonato de calcio, piedra caliza, sirve como materia prima en la producción de cal, cemento y carburo de calcio. Otro mineral, la dolomita, es el "antepasado" de un gran grupo de refractarios de dolomita. Carbonato y bicarbonato de sodio - calcinados y bicarbonato. Uno de los principales consumidores de carbonato de sodio ha sido y sigue siendo la industria del vidrio, que suministra aproximadamente un tercio de la producción mundial de Na 2 CO 3.

Y por último, un poco sobre los carburos. Por lo general, cuando dicen carburo, se refieren al carburo de calcio, una fuente de acetileno y, por lo tanto, numerosos productos de síntesis orgánica. Pero el carburo de calcio, aunque es el más famoso, está lejos de ser la única sustancia muy importante y necesaria de este grupo. El carburo de boro B 4 C es un material nuclear importante

tecnología, el carburo de silicio SiC o carborundo es el material abrasivo más importante. Los carburos de muchos metales se caracterizan por una alta resistencia química y una dureza excepcional; El carborundo, por ejemplo, es sólo ligeramente inferior al diamante. Su dureza en la escala de Mooca es 9,5-9,75 (diamante - 10). Pero el carborundo es más barato que el diamante. Se produce en hornos eléctricos a una temperatura de unos 2000°C a partir de una mezcla de coque y arena de cuarzo.

Según el famoso académico científico soviético I.L. Knunyants, la química orgánica puede considerarse como una especie de puente tendido por la ciencia desde la naturaleza inanimada hasta su forma más elevada: la vida. Y hace apenas un siglo y medio, los mejores químicos de esa época creían y enseñaban a sus seguidores que la química orgánica es la ciencia de las sustancias formadas con la participación y bajo la guía de alguna "materia" extraña: la fuerza vital. Pero esta fuerza pronto fue enviada al basurero de la historia natural. Síntesis de varias sustancias orgánicas: urea, ácido acético, grasas, sustancias similares al azúcar, lo hacían simplemente innecesario.

Apareció una definición clásica de K. Schorlemmer, que no ha perdido su significado 100 años después: “ Química Orgánica está la química de los hidrocarburos y sus derivados, es decir, productos que se forman cuando el hidrógeno es reemplazado por otros átomos o grupos de átomos”.

Entonces, lo orgánico es la química ni siquiera de un elemento, sino solo de una clase de compuestos de este elemento. ¡Pero qué clase! Una clase dividida no solo en grupos y subgrupos, en ciencias independientes. La bioquímica, la química de los polímeros sintéticos, la química de los compuestos biológicamente activos y medicinales surgieron de la materia orgánica...

Actualmente se conocen millones de compuestos orgánicos (¡compuestos de carbono!) y unos cien mil compuestos de todos los demás elementos combinados.

Es bien sabido que la vida se basa en el carbono. Pero, ¿por qué exactamente el carbono, el undécimo elemento más abundante en la Tierra, asumió la tarea más difícil de ser la base de toda la vida?

La respuesta a esta pregunta es ambigua. En primer lugar, “en ningún elemento se desarrolla tal capacidad de complejidad hasta tal punto como en el carbono”. En segundo lugar, el carbono es capaz de combinarse con la mayoría de los elementos y de diversas formas. En tercer lugar, la conexión de los átomos de carbono entre sí, así como con los átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y otros elementos que componen las sustancias orgánicas, puede destruirse bajo la influencia de factores naturales. Por lo tanto, el carbono circula continuamente en la naturaleza: de la atmósfera a las plantas, de las plantas a los organismos animales, de los seres vivos a los muertos,

de muerto a vivo...

Las cuatro valencias de un átomo de carbono son como cuatro manos. Y si dos de esos átomos se unen, entonces ya quedan seis "manos". O cuatro, si se gastan dos electrones en la formación de pares (doble enlace). O simplemente dos, si el enlace, como en el acetileno, es triple. Pero estas conexiones (se llaman insaturadas) son como una bomba en el bolsillo o un genio en una botella. Están ocultos por el momento, pero en el momento adecuado se liberan para pasar factura en un tormentoso juego de interacciones y transformaciones químicas. Como resultado de estos “juegos” se forman una amplia variedad de estructuras si en ellos interviene carbono. Los editores de la Children's Encyclopedia calcularon que a partir de 20 átomos de carbono y 42 átomos de hidrógeno se pueden obtener 366.319 hidrocarburos diferentes, 366.319 sustancias de composición C 20 H42. Y si el “juego” no tiene seis docenas de participantes, sino varios miles; si entre ellos hay representantes no de dos “equipos”, ¡sino, digamos, ocho!

Donde hay carbono, hay diversidad. Donde hay carbono, hay complejidad. Y los diseños son muy diferentes en la arquitectura molecular. Cadenas simples, como en el butano CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 o polietileno -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -, y estructuras ramificadas, la más simple de las cuales es el isobutano.

El carbono es capaz de formar varias modificaciones alotrópicas. Se trata de diamante (la modificación alotrópica más inerte), grafito, fullereno y carbino.

El carbón vegetal y el hollín son carbonos amorfos. El carbono en este estado no tiene una estructura ordenada y en realidad consiste en pequeños fragmentos de capas de grafito. El carbón amorfo tratado con vapor de agua caliente se llama carbón activado. ¡1 gramo de carbón activado, debido a la presencia de muchos poros, tiene una superficie total de más de trescientos metros cuadrados! Gracias a su capacidad de absorber varias sustancias hallazgos de carbón activado aplicación amplia como relleno de filtro y también como enterosorbente para varios tipos envenenamiento

Desde un punto de vista químico, el carbono amorfo es su forma más activa, el grafito muestra una actividad moderada y el diamante es una sustancia extremadamente inerte. Por este motivo, se comenta a continuación Propiedades químicas El carbono debe clasificarse principalmente como carbono amorfo.

Propiedades reductoras del carbono.

Como agente reductor, el carbono reacciona con no metales como el oxígeno, los halógenos y el azufre.

Dependiendo del exceso o falta de oxígeno durante la combustión del carbón, es posible la formación de monóxido de carbono CO o dióxido de carbono CO 2:

Cuando el carbono reacciona con el flúor, se forma tetrafluoruro de carbono:

Cuando el carbono se calienta con azufre, se forma disulfuro de carbono CS 2:

El carbono es capaz de reducir los metales después del aluminio en la serie activa de sus óxidos. Por ejemplo:

El carbono también reacciona con los óxidos de metales activos, pero en este caso, por regla general, no se observa la reducción del metal, sino la formación de su carburo:

Interacción del carbono con óxidos no metálicos.

El carbono entra en una reacción de coproporción con el dióxido de carbono CO 2:

Uno de los procesos más importantes desde el punto de vista industrial es el llamado conversión de carbón a vapor. El proceso se lleva a cabo haciendo pasar vapor de agua a través de carbón caliente. Se produce la siguiente reacción:

A altas temperaturas, el carbono es capaz de reducir incluso un compuesto tan inerte como el dióxido de silicio. En este caso, dependiendo de las condiciones, es posible la formación de silicio o carburo de silicio ( carborundo):

Además, el carbono como agente reductor reacciona con ácidos oxidantes, en particular ácidos sulfúrico y nítrico concentrados:

Propiedades oxidativas del carbono.

El elemento químico carbono no es altamente electronegativo, por lo que las sustancias simples que forma rara vez exhiben propiedades oxidantes hacia otros no metales.

Un ejemplo de tales reacciones es la interacción del carbono amorfo con hidrógeno cuando se calienta en presencia de un catalizador:

y también con silicio a una temperatura de 1200-1300 o C:

El carbono exhibe propiedades oxidantes en relación con los metales. El carbono es capaz de reaccionar con metales activos y algunos metales de actividad intermedia. Las reacciones ocurren cuando se calienta:

Los carburos metálicos activos se hidrolizan con agua:

así como soluciones de ácidos no oxidantes:

En este caso, se forman hidrocarburos que contienen carbono en el mismo estado de oxidación que el carburo original.

Propiedades químicas del silicio.

El silicio puede existir, como el carbono, en estado cristalino y amorfo y, como en el caso del carbono, el silicio amorfo es significativamente más activo químicamente que el silicio cristalino.

A veces, el silicio amorfo y cristalino se denomina modificaciones alotrópicas, lo que, estrictamente hablando, no es del todo cierto. El silicio amorfo es esencialmente un conglomerado de pequeñas partículas de silicio cristalino ubicadas aleatoriamente entre sí.

Interacción del silicio con sustancias simples.

no metales

En condiciones normales, el silicio, debido a su inercia, reacciona únicamente con el flúor:

El silicio reacciona con el cloro, el bromo y el yodo sólo cuando se calienta. Es característico que, dependiendo de la actividad del halógeno, se requiera una temperatura correspondientemente diferente:

Entonces, con el cloro la reacción ocurre a 340-420 o C:

Con bromo – 620-700 o C:

Con yodo – 750-810 o C:

La reacción del silicio con el oxígeno se produce, pero requiere un calentamiento muy fuerte (1200-1300 o C) debido a que la fuerte película de óxido dificulta la interacción:

A una temperatura de 1200-1500 o C, el silicio interactúa lentamente con el carbono en forma de grafito para formar carborundo SiC, una sustancia con una red cristalina atómica similar al diamante y casi no inferior en resistencia:

El silicio no reacciona con el hidrógeno.

rieles

Debido a su baja electronegatividad, el silicio sólo puede presentar propiedades oxidantes frente a los metales. De los metales, el silicio reacciona con metales activos (alcalinos y alcalinotérreos), así como con muchos metales de actividad intermedia. Como resultado de esta interacción, se forman siliciuros:

Interacción del silicio con sustancias complejas.

El silicio no reacciona con el agua incluso cuando se hierve; sin embargo, el silicio amorfo interactúa con el vapor de agua sobrecalentado a una temperatura de aproximadamente 400-500 o C. En este caso, se forman hidrógeno y dióxido de silicio:

De todos los ácidos, el silicio (en estado amorfo) reacciona solo con ácido fluorhídrico concentrado:

El silicio se disuelve en soluciones alcalinas concentradas. La reacción va acompañada de la liberación de hidrógeno.