Uno de los elementos más sorprendentes que pueden formar una gran variedad de compuestos de naturaleza orgánica e inorgánica es el carbono. Este elemento es tan inusual en sus propiedades que incluso Mendeleev predijo un gran futuro para él, hablando de características que aún no se han revelado.
Después prácticamente se confirmó. Se supo que es el principal elemento biogénico de nuestro planeta, que forma parte de absolutamente todos los seres vivos. Además, capaz de existir en formas que son radicalmente diferentes en todos los aspectos, pero al mismo tiempo consisten solo en átomos de carbono.
En general, esta estructura tiene muchas características, y trataremos de tratarlas en el transcurso del artículo.
Carbono: fórmula y posición en el sistema de elementos
En el sistema periódico, el elemento carbono se encuentra en el grupo IV (según el nuevo modelo en 14), el subgrupo principal. Su número de serie es 6 y su peso atómico es 12 011. La designación de un elemento con el signo C indica su nombre en latín: carboneum. Hay varias formas diferentes en las que existe el carbono. Por lo tanto, su fórmula es diferente y depende de la modificación específica.
Sin embargo, para escribir ecuaciones de reacción, la notación es específica,por supuesto tener. En general, cuando se habla de una sustancia en estado puro, se adopta la fórmula molecular del carbono C, sin indexación.
Historial de descubrimiento de elementos
Este elemento en sí se conoce desde la antigüedad. Después de todo, uno de los minerales más importantes de la naturaleza es el carbón. Por lo tanto, para los antiguos griegos, romanos y otras nacionalidades, no era un secreto.
Además de esta variedad, también se utilizaron diamantes y grafito. Hubo muchas situaciones de confusión con este último durante mucho tiempo, ya que a menudo, sin un análisis de la composición, se tomaban por grafito tales compuestos, como:
- plata plomo;
- carburo de hierro;
- sulfuro de molibdeno.
Todos estaban pintados de negro y, por lo tanto, se consideraban grafito. Más tarde, este malentendido se aclaró y esta forma de carbono se convirtió en sí misma.
Desde 1725, los diamantes han tenido una gran importancia comercial, y en 1970, se dominó la tecnología para obtenerlos artificialmente. Desde 1779, gracias al trabajo de Karl Scheele, se han estudiado las propiedades químicas que presenta el carbono. Este fue el comienzo de una serie de importantes descubrimientos en el campo de este elemento y se convirtió en la base para conocer todas sus características más singulares.
Isótopos de carbono y distribución en la naturaleza
A pesar de que el elemento en cuestión es uno de los biogénicos más importantes, su contenido total en la masa de la corteza terrestre es del 0,15%. Esto se debe al hecho de que está sujeto a una circulación constante, un ciclo natural en la naturaleza.
En general, hay varioscompuestos minerales que contienen carbono. Estas son razas tan naturales como:
- dolomitas y calizas;
- antracita;
- lutita bituminosa;
- gas natural;
- carbón;
- aceite;
- lignito;
- turba;
- betún.
Además de esto, no debemos olvidarnos de los seres vivos, que no son más que un depósito de compuestos de carbono. Después de todo, formaron proteínas, grasas, carbohidratos, ácidos nucleicos, es decir, las moléculas estructurales más vitales. En general, en la conversión de peso corporal seco de 70 kg, 15 cae sobre un elemento puro. Y lo mismo ocurre con todas las personas, sin mencionar los animales, las plantas y otras criaturas.
Si consideramos la composición del aire y el agua, es decir, la hidrosfera en su conjunto y la atmósfera, entonces existe una mezcla de carbono-oxígeno, expresada por la fórmula CO2. El dióxido o dióxido de carbono es uno de los principales gases que componen el aire. Es de esta forma que la fracción de masa de carbono es 0,046%. Aún más dióxido de carbono se disuelve en las aguas de los océanos.
La masa atómica del carbono como elemento es 12.011, se sabe que este valor se calcula como la media aritmética entre los pesos atómicos de todas las especies isotópicas que existen en la naturaleza, teniendo en cuenta su prevalencia (en porcentaje). Este es también el caso de la sustancia en cuestión. Hay tres isótopos principales en los que se encuentra el carbono. Esto es:
- 12С - su fracción de masa en la gran mayoría es 98.93%;
- 13C -1.07%;
- 14C - radioactivo, vida media 5700 años, emisor beta estable.
En la práctica de determinar la edad geocronológica de las muestras, se utiliza ampliamente el isótopo radiactivo 14С, que es un indicador debido a su largo período de desintegración.
Modificaciones alotrópicas de un elemento
El carbono es un elemento que existe como sustancia simple en varias formas. Es decir, es capaz de formar la mayor cantidad de modificaciones alotrópicas que se conocen en la actualidad.
1. Variaciones cristalinas: existen en forma de estructuras fuertes con redes regulares de tipo atómico. Este grupo incluye variedades como:
- diamantes;
- fullerenos;
- grafitos;
- carabinas;
- lonsdaleitas;
- fibras y tubos de carbono.
Todos difieren en la estructura de la red cristalina, en cuyos nodos hay un átomo de carbono. De ahí las propiedades completamente únicas y diferentes, tanto físicas como químicas.
2. Formas amorfas: están formadas por un átomo de carbono, que forma parte de algunos compuestos naturales. Es decir, no se trata de variedades puras, sino con impurezas de otros elementos en pequeñas cantidades. Este grupo incluye:
- carbón activado;
- piedra y madera;
- hollín;
- nanoespuma de carbono;
- antracita;
- carbón vítreo;
- un tipo técnico de sustancia.
También están unidos por característicasestructuras de la red cristalina, explicando y manifestando propiedades.
3. Compuestos de carbono en forma de clusters. Tal estructura en la que los átomos están cerrados en un hueco de conformación especial desde el interior, lleno de agua o los núcleos de otros elementos. Ejemplos:
- nanoconos de carbono;
- astralens;
- dicarbon.
Propiedades físicas del carbono amorfo
Debido a la amplia variedad de modificaciones alotrópicas, es difícil identificar propiedades físicas comunes para el carbono. Es más fácil hablar de una forma específica. Por ejemplo, el carbono amorfo tiene las siguientes características.
- En el corazón de todas las formas hay variedades de grafito de cristal fino.
- Alta capacidad calorífica.
- Buenas propiedades conductoras.
- La densidad del carbono es de aproximadamente 2 g/cm3.
- Cuando se calienta a más de 1600 0C, se produce una transición a formas de grafito.
Las variedades de hollín, carbón vegetal y piedra se utilizan ampliamente con fines industriales. No son una manifestación de la modificación del carbono en su forma pura, sino que lo contienen en cantidades muy grandes.
Carbono cristalino
Hay varias opciones en las que el carbono es una sustancia que forma cristales regulares de varios tipos, donde los átomos están conectados en serie. Como resultado, se forman las siguientes modificaciones.
- Diamante. La estructura es cúbica, en la que se conectan cuatro tetraedros. Como resultado, todos los enlaces químicos covalentes de cada átomomáximamente saturado y duradero. Esto explica las propiedades físicas: la densidad del carbono es 3300 kg/m3. Alta dureza, baja capacidad calorífica, f alta de conductividad eléctrica: todo esto es el resultado de la estructura de la red cristalina. Hay diamantes técnicamente obtenidos. Se forman durante la transición del grafito a la siguiente modificación bajo la influencia de altas temperaturas y cierta presión. En general, el punto de fusión del diamante es tan alto como su resistencia: alrededor de 3500 0C.
- Grafito. Los átomos están dispuestos de manera similar a la estructura de la sustancia anterior, sin embargo, solo tres enlaces están saturados, y el cuarto se vuelve más largo y menos fuerte, conecta las "capas" de los anillos hexagonales de la red. Como resultado, resulta que el grafito es una sustancia negra suave y grasosa al tacto. Tiene buena conductividad eléctrica y tiene un alto punto de fusión - 3525 0C. Capaz de sublimación: sublimación de un estado sólido a un estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido (a una temperatura de 3700 0С). La densidad del carbono es de 2,26 g/cm3, , que es mucho menor que la del diamante. Esto explica sus diferentes propiedades. Debido a la estructura en capas de la red cristalina, es posible utilizar grafito para la fabricación de minas de lápiz. Al pasar el dedo por el papel, los copos se desprenden y dejan una marca negra en el papel.
- Fullerenos. Fueron abiertos solo en los años 80 del siglo pasado. Son modificaciones en las que los carbonos están interconectados en una estructura especial cerrada convexa, que tiene en el centrovacío. Y la forma de un cristal - un poliedro, la organización correcta. El número de átomos es par. La forma más famosa de fullereno es С60. Se encontraron muestras de una sustancia similar durante la investigación:
- meteoritos;
- sedimentos del fondo;
- folgurita;
- shungita;
- espacio exterior, donde se encuentran en forma de gases.
Todas las variedades de carbono cristalino son de gran importancia práctica, ya que tienen una serie de propiedades útiles en ingeniería.
Reactividad
El carbono molecular presenta una baja reactividad debido a su configuración estable. Puede ser forzado a entrar en reacciones solo impartiendo energía adicional al átomo y obligando a los electrones del nivel exterior a evaporarse. En este punto, la valencia se convierte en 4. Por lo tanto, en los compuestos, tiene un estado de oxidación de + 2, + 4, - 4.
Prácticamente todas las reacciones con sustancias simples, tanto metales como no metales, tienen lugar bajo la influencia de altas temperaturas. El elemento en cuestión puede ser tanto un agente oxidante como un agente reductor. Sin embargo, las últimas propiedades son especialmente pronunciadas en él, y esta es la base para su uso en la industria metalúrgica y otras.
En general, la capacidad de entrar en interacción química depende de tres factores:
- dispersión de carbono;
- modificación alotrópica;
- temperatura de reacción.
Así, en algunos casos hay una interacción con los siguientessustancias:
- no metales (hidrógeno, oxígeno);
- metales (aluminio, hierro, calcio y otros);
- óxidos metálicos y sus sales.
No reacciona con ácidos y álcalis, muy raramente con halógenos. La más importante de las propiedades del carbono es la capacidad de formar largas cadenas entre sí. Pueden cerrarse en un ciclo, formar ramas. Así es como la formación de compuestos orgánicos, que hoy en día se cuentan por millones. La base de estos compuestos son dos elementos: carbono, hidrógeno. También se pueden incluir otros átomos: oxígeno, nitrógeno, azufre, halógenos, fósforo, metales y otros.
Principales compuestos y sus características
Hay muchos compuestos diferentes que contienen carbono. La fórmula del más famoso de ellos es CO2 - dióxido de carbono. Sin embargo, además de este óxido, también existe el monóxido de CO - o monóxido de carbono, así como el subóxido C3O2.
Entre las sales que contienen este elemento, las más comunes son los carbonatos de calcio y magnesio. Entonces, el carbonato de calcio tiene varios sinónimos en el nombre, ya que se presenta en la naturaleza en la forma:
- tiza;
- mármol;
- piedra caliza;
- dolomita.
La importancia de los carbonatos de metales alcalinotérreos se manifiesta en el hecho de que son participantes activos en la formación de estalactitas y estalagmitas, así como de las aguas subterráneas.
El ácido carbónico es otro compuesto que forma carbono. su fórmula esH2CO3. Sin embargo, en su forma habitual, es extremadamente inestable e inmediatamente se descompone en dióxido de carbono y agua en solución. Por lo tanto, solo se conocen sus sales, y no ella misma, como solución.
Haluros de carbono: se obtienen principalmente de forma indirecta, ya que la síntesis directa tiene lugar solo a temperaturas muy altas y con un bajo rendimiento del producto. Uno de los más comunes - CCL4 - tetracloruro de carbono. Un compuesto tóxico que puede causar envenenamiento si se inhala. Obtenido por reacciones de sustitución fotoquímica radical de átomos de hidrógeno en metano.
Los carburos metálicos son compuestos de carbono en los que presenta un estado de oxidación de 4. También es posible la existencia de asociaciones con el boro y el silicio. La propiedad principal de los carburos de algunos metales (aluminio, tungsteno, titanio, niobio, tántalo, hafnio) es una alta resistencia y una excelente conductividad eléctrica. El carburo de boro В4С es una de las sustancias más duras después del diamante (9,5 según Mohs). Estos compuestos se utilizan en ingeniería, así como en la industria química, como fuentes para la producción de hidrocarburos (el carburo de calcio con agua conduce a la formación de acetileno e hidróxido de calcio).
Muchas aleaciones metálicas se fabrican con carbono, lo que aumenta significativamente su calidad y características técnicas (el acero es una aleación de hierro y carbono).
Merecen especial atención numerosos compuestos orgánicos del carbono, en los que éste es un elemento fundamental capaz de combinarse con los mismos átomos en largas cadenas de diversas estructuras. Estos incluyen:
- alcanos;
- alquenos;
- arenas;
- proteínas;
- carbohidratos;
- ácidos nucleicos;
- alcoholes;
- ácidos carboxílicos y muchas otras clases de sustancias.
Uso de carbono
La importancia de los compuestos de carbono y sus modificaciones alotrópicas en la vida humana es muy alta. Puede nombrar algunas de las industrias más globales para dejar claro que esto es cierto.
- Este elemento forma todos los tipos de combustibles fósiles de los que una persona recibe energía.
- La industria metalúrgica utiliza el carbono como agente reductor más fuerte para obtener metales a partir de sus compuestos. Los carbonatos también se usan mucho aquí.
- La construcción y la industria química consumen grandes cantidades de compuestos de carbono para sintetizar nuevas sustancias y obtener los productos necesarios.
También puede nombrar sectores de la economía como:
- industria nuclear;
- joyería;
- equipo técnico (lubricantes, crisoles resistentes al calor, lápices, etc.);
- determinación de la edad geológica de las rocas - trazador radiactivo 14С;
- carbón es un excelente adsorbente, lo que lo hace adecuado para fabricar filtros.
El
Circulación en la naturaleza
La masa de carbono que se encuentra en la naturaleza está incluida en un ciclo constante que gira cada segundo alrededor del mundo. Por lo tanto, la fuente atmosférica de carbono - CO2, se absorbeplantas y es liberado por todos los seres vivos en el proceso de respiración. Una vez en la atmósfera, se vuelve a absorber, por lo que el ciclo no se detiene. Al mismo tiempo, la muerte de los residuos orgánicos provoca la liberación de carbono y su acumulación en la tierra, desde donde es nuevamente absorbido por los organismos vivos y liberado a la atmósfera en forma de gas.
