- Història de l'carboni
- mirada retrospectiva
- reconeixement
- propietats
- Grafit vs diamant
- Estructura i configuració electrònica
- hibridacions
- Números d'oxidació
- exemples
- geometries moleculars
- Sòlids amorfs o cristal·lins
- obtenció
- usos
- Riscos i precaucions
- referències
El carboni és un element químic no metàl·lic el símbol químic és C. deu el seu nom a el carbó, vegetal o mineral, on els seus àtoms defineixen variades estructures. Molts autors el qualifiquen com el Rei dels elements, ja que forma una àmplia gamma de compostos orgànics i inorgànics, i es presenta a més en un considerable nombre de al·lòtrops.
I si això no és suficient per referir-se a ell com un element especial, es troba en tots els éssers vius; totes les seves biomolècules deuen la seva existència a l'estabilitat i força dels enllaços CC i la seva alta tendència a concatenar. El carboni és l'element de la vida, i amb els seus àtoms es construeixen els seus cossos.
La fusta dels arbres es compon principalment de carbohidrats, uns dels tants compostos rics en carboni. Font: Pexels.
Els compostos orgànics amb els quals es construeixen els biomaterials consisteixen pràcticament d'esquelets carbonats i heteroàtoms. Aquests poden apreciar-se a simple vista a la fusta dels arbres; i també, quan un llamp cau sobre ells i els rostiza. El sòlid negre inert romanent també posseeix carboni; però es tracta de carbó vegetal.
És així doncs que existeixen manifestacions "mortes" d'aquest element: el carbó vegetal, producte de les combustions en ambients pobres en oxigen; i el carbó mineral, producte de processos geològics. Tots dos sòlids s'assemblen, són negres i cremen per generar calor i energia; encara que amb rendiments diferents.
Des d'aquest punt el carboni és el quinzè element més abundant de l'escorça terrestre. No estranya quan es produeix anualment milions de tones de carbó mineral. Aquests minerals difereixen en les seves propietats en funció de l'grau d'impureses, situant-se l'antracita com el de carbó mineral de més qualitat.
L'escorça terrestre no només és rica en carbó mineral, sinó també en carbonats, especialment pedra calcària i dolomites. I respecte a l'Univers, és el quart element més abundant; és a dir, hi ha més carboni allà fora en altres planetes.
Història de l'carboni
mirada retrospectiva
El carboni potser sigui tan vell com la pròpia escorça terrestre. Des de temps immemorials civilitzacions antigues s'han topat amb aquest element en les seves múltiples presentacions naturals: sutge, carbó, carbó vegetal o de llenya, diamants, grafit, quitrà d'hulla, antracita, etc.
Tots aquells sòlids, si bé compartien les tonalitats obscures (a excepció de el diamant), la resta de les seves propietats físiques, així com la seva composició, diferien notablement. En aquell temps era impossible aclamar que en essència consistien d'àtoms de carboni.
Va ser així que al llarg de la història el carbó es va classificar en funció de la seva qualitat a l'hora de cremar i brindar calor. I amb els gasos formats per la seva combustió es va escalfar masses d'aigües, que al seu torn, van produir vapors que van moure turbines generadores de corrents elèctrics.
El carboni de manera insospitada era present en el carbó vegetal producte de la crema d'arbres en espais tancats o hermètics; en el grafit amb què es van fer els llapis; en els diamants utilitzats com gemmes; era el responsable de les dureses de l'acer.
La seva història va de la mà amb la fusta, la pólvora, els gasos d'il·luminació citadinos, els trens i vaixells, la cervesa, els lubricants i altres objectes indispensables per a l'avanç de la humanitat.
reconeixement
En quin moment els científics van poder associar els al·lòtrops i minerals de l'carboni a un mateix element? El carbó era vist com un mineral, i no es pensava en ell com un element químic digne d'ocupar la taula periòdica. El primer pas va haver de ser demostrar que tots aquests sòlids es transformaven en un mateix gas: el diòxid de carboni, CO 2.
Antoine Lavoisier en 1772, utilitzant carcassa de fusta amb grans lents, va focalitzar els raigs de sol en mostres de carbó vegetal i un diamant. Va descobrir que no cap dels dos formava vapors d'aigua sinó CO 2. El mateix va fer amb el sutge i va obtenir els mateixos resultats.
Carl Wilhelm Scheele en 1779, va trobar la relació química entre el carbó vegetal i el grafit; és a dir, tots dos sòlids estaven compostos dels mateixos àtoms.
Smithson Tennant i William Hyde Wollaston en 1797 van comprovar de manera metodològica (mitjançant reaccions) que el diamant efectivament es componia de carboni a l'produir CO 2 en la seva combustió.
Amb aquests resultats aviat es va llançar llum sobre el grafit i el diamant, sòlids formats per carboni, i per tant, d'elevades pureses; a diferència dels sòlids impurs de carbó i altres minerals carbonáceos.
propietats
Les propietats físiques o químiques trobades en els sòlids, minerals o materials carbonáceos estan subjectes a moltes variables. Entre elles estan: la composició o grau d'impureses, les hibridacions dels àtoms de carboni, la diversitat de les estructures, i la morfologia o grandària dels porus.
Quan es descriuen les propietats de l'carboni la majoria dels textos o fonts bibliogràfiques es basen en el grafit i el diamant.
Per què? Perquè són els al·lòtrops més coneguts per a aquest element i representen sòlids o materials d'alta puresa; és a dir, pràcticament estan fets res més que d'àtoms de carboni (encara que amb diferents estructures, com s'explicarà en el següent apartat).
Les propietats de l'carbó vegetal i de el carbó mineral difereixen en els seus orígens o composicions, respectivament. Per exemple, el lignit (pobre en carboni) com a combustible gateja en comparació a l'antracita (rica en carboni). I què dir dels altres al·lòtrops: nanotubs, fullerens, grafenos, grafinos, etc.
No obstant això, químicament tenen un punt en comú: s'oxiden amb un excés d'oxigen en CO 2:
C + O 2 => CO 2
Ara bé, la velocitat o temperatura que requereixen per oxidar són pròpies per a cada un d'aquests al·lòtrops.
Grafit vs diamant
Aquí es farà també un breu comentari respecte a les propietats tan diferents per aquests dos al·lòtrops:
Taula en la qual es comparen algunes propietats dels dos al·lòtrops cristal·lins de l'carboni. Font: Gabriel Bolívar.
Estructura i configuració electrònica
hibridacions
Relació entre els orbitals híbrids i les estructures possibles per al carboni. Font: Gabriel Bolívar.
La configuració electrònica per a l'àtom de carboni és 1s 2 2s 2 2p 2, també escrita com 2s 2 2p 2 (imatge superior). Aquesta representació correspon al seu estat basal: l'àtom de carboni aïllat i suspès en un buit tan gran que no pot interactuar amb altres.
S'aprecia que un dels seus orbitals 2p manca d'electrons, el qual accepta mitjançant la promoció electrònica un electró de l'orbital 2s de menor energia; i així, l'àtom adquireix la capacitat de formar fins a quatre enllaços covalents a través dels seus quatre orbitals híbrids sp 3.
Cal notar que els quatre orbitals sp 3 estan degenerats en energia (alineats en el mateix nivell). Els orbitals p purs són més energètics, raó per la qual se situen per sobre dels altres orbitals híbrids (a la dreta de la imatge).
Si hi ha tres orbitals híbrids, és perquè resta un orbital p sense hibridizarse; per tant, es tracten de tres orbitals sp 2. I quan hi ha dos d'aquests orbitals híbrids, dos orbitals p estan disponibles per formar dobles o triples enllaços, sent la hibridació de l'carboni sp.
Tals aspectes electrònics són imprescindibles per comprendre per què el carboni pot trobar-se en infinitats de al·lòtrops.
Números d'oxidació
Abans de prosseguir amb les estructures no està de més esmentar que, donada la configuració electrònica de valència 2s 2 2p 2, el carboni pot tenir els següents nombres d'oxidació: +4, +2, 0, -2 i -4.
Per què? Aquests números corresponen a la suposició que hi hagi un enllaç iònic tal que formis els ions amb les càrregues respectives; és a dir, C 4+, C 2+, C 0 (neutre), C 2- i C 4-.
Perquè el carboni tingui un nombre d'oxidació positiu de perdre electrons; i per fer-ho, necessàriament ha d'estar enllaçat a àtoms molt electronegatius (com l'oxigen).
Mentrestant, perquè el carboni tingui un nombre d'oxidació negatiu, ha de guanyar electrons enllaçant a àtoms metàl·lics o menys electronegatius que ell (com l'hidrogen).
El primer número d'oxidació, +4, vol dir que el carboni ha perdut tots els electrons de valència; es queden buits els orbitals 2s i 2p. Si l'orbital 2p perd els seus dos electrons, el carboni tindrà nombre d'oxidació de +2; si guanya dos electrons, tindrà -2; i si guanya dos electrons més completant la seva octet de valència, -4.
exemples
Per exemple, per al CO 2 el nombre d'oxidació de l'carboni és +4 (perquè l'oxigen és més electronegatiu); mentre que per al CH 4, és de -4 (perquè l'hidrogen és menys electronegatiu).
Per al CH 3 OH, el nombre d'oxidació de l'carboni és -2 (+1 per als H i -2 per l'O); mentre que per al HCOOH, és de +2 (comprovi que la suma doni 0).
Altres estats d'oxidació, com el -3 i +3, també són probables, especialment quan es tracta de molècules orgàniques; per exemple, en els grups metils, -CH 3.
geometries moleculars
A la imatge superior no només es van mostrar la hibridació dels orbitals per a l'àtom de carboni, sinó a més les geometries moleculars resultants quan s'enllacen diversos àtoms (esferes negres) a un de central. Aquest àtom central per disposar en l'espai un entorn geomètric determinat, ha de posseir la respectiva hibridació química que l'hi permeti.
Per exemple, per al tetraedre el carboni central té hibridació sp 3; perquè tal és l'arranjament més estable per als quatre orbitals híbrids sp 3. En el cas dels carbonis sp 2, poden formar dobles enllaços i disposar un entorn pla trigonal; i així, aquests triangles defineixen un hexàgon perfecte. I per a una hibridació sp, els carbonis adopten una geometria lineal.
Així, les geometries observades en les estructures de tots els al·lòtrops es regeixen simplement en tetraedres (sp 3), hexàgons o pentàgons (sp 2), i línies (sp).
Els tetraedres defineixen una estructura 3D, mentre que els hexàgons, pentàgons i línies, estructures 3D o 2D; aquestes últimes vénen a ser els plans o làmines similars a les parets de les bresques d'abella:
Paret amb dissenys hexagonals d'una bresca d'abella en analogia als plànols compostos per carbonis sp2. Font: Pixabay.
I si pleguem aquesta paret hexagonal (pentagonal o mixta), obtindrem un tub (nanotubs) o una pilota (fullerens), o una altra figura. Les interaccions entre aquestes figures donen lloc a diferents morfologies.
Sòlids amorfs o cristal·lins
Deixant de banda les geometries, hibridacions, o morfologies de les estructures possibles de l'carboni, els seus sòlids poden classificar globalment en dos tipus: amorfs o cristal·lins. I entre aquestes dues classificacions es reparteixen els seus al·lòtrops.
El carboni amorf és simplement aquell que presenta una barreja arbitrària de tetraedres, hexàgons o línies, incapaç d'establir un patró estructural; tal és el cas de l'hulla, el carbó vegetal o activat, coc, sutge, etc.
Mentre que el carboni cristal consta de patrons estructurals conformats per qualsevol de les geometries plantejades; per exemple, el diamant (xarxa tridimensional de tetraedres) i el grafit (làmines hexagonals apilades).
obtenció
El carboni pot trobar-se pur com grafit o diamant. Aquests es troben en els seus respectius dipòsits mineralògics, disseminats al llarg de l'globus terraqüi i en diferents països. Per això algunes nacions són més exportadores d'un d'aquests minerals que altres. En resum "cal excavar la terra" per obtenir el carboni.
El mateix val per al carbó mineral i els seus tipus. Però no succeeix així amb el carbó vegetal, ja que un cos ric en carboni ha de "morir" primer, ja sigui sota el foc, o un raig elèctric; per descomptat, en absència d'oxigen, perquè si no s'alliberaria CO 2.
Un bosc sencer és una font de carboni com a carbó vegetal; no només pels seus arbres, sinó també per les seves faunes.
En general, les mostres que posseeixen carboni s'han de sotmetre a piròlisi (cremar en absència d'oxigen) perquè alliberi part de les impureses com gasos; i així, quedi com a residu un sòlid ric en carboni (amorf o cristal·lí).
usos
Novament, a l'igual que les propietats i estructura, els usos o aplicacions van d'acord amb els al·lòtrops o formes mineralògiques de l'carboni. No obstant això, hi ha certes generalitats que sí poden esmentar-se, a més d'alguns punts altament coneguts. Tals són:
-El carboni s'ha utilitzat des de fa molt de temps enrere com a agent reductor de minerals en l'obtenció dels metalls purs; per exemple, el ferro, silici i fòsfor, entre d'altres.
-És la pedra angular de la vida, i la química orgànica i la bioquímica són els estudis d'aquest reflex.
-També ha estat un combustible fòssil que va permetre que les primeres màquines donessin marxa als seus engranatges. De la mateixa manera, d'ell es va obtenir el gas de carboni per als vells sistemes d'il·luminació. El carbó va ser sinònim de llum, calor i energia.
-Barrejat com a additiu amb el ferro en diferents proporcions va permetre la invenció i perfeccionament dels acers.
-La seva color negre ocupar lloc en l'art, especialment el grafit i totes les escriptures fetes amb els seus traços.
Riscos i precaucions
El carboni i els seus sòlids no representen cap risc per a la salut. Qui s'ha preocupat per una bossa de carbó? Les venen a munts dins dels passadissos d'alguns mercats, i per tal no hi hagi un incendi proper, els seus blocs negres no cremaran.
El coc, d'altra banda, sí que pot representar un risc si el seu contingut de sofre és alt. A l'combustionar alliberarà gasos sulfurats que, a més de ser tòxics, contribueixen a la pluja àcida. I encara que el CO 2 en petites quantitats no pot asfixiar, sí exerceix un enorme impacte en el medi ambient com a gas hivernacle.
Des d'aquesta perspectiva, el carboni és un perill "a llarg termini", ja que la seva combustió altera el clima del nostre planeta.
I en un sentit més físic, els sòlids o materials carbonáceos si es troben polvoritzats són fàcilment transportats pels corrents d'aire; i en conseqüència, s'introdueixen directe als pulmons, la qual cosa pot danyar-los irremeiablement.
De resta, és molt comú consumir "carbó" quan es passa de cocció algun aliment.
referències
- Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Química Orgànica. 5a Edició. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10th edition.). Wiley Plus.
- Andrew. (2019). Carbon, its Allotropes and Structures. Recuperat de: everyscience.com
- Advameg, Inc (2019). Carbon. Chemistry Explained. Recuperat de: chemistryexplained.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 de juliol del 2018). 10 Carbon Facts (Atomic Number 6 or C). Recuperat de: thoughtco.com
- Tawnya Eash. (2019). What is Carbon? - Facts & History Lesson for Kids. Study. Recuperat de: study.com
- Foll. (Sf). History of Carbon. Recuperat de: tf.uni-kiel.de