Carbón. Características, propiedades y aplicación.

El carbono es un elemento químico, no metálico. Sus propiedades dependen de la variedad en la que se presente. Ocupa el cuarto lugar en los elementos que se encuentran en el universo, después del oxígeno, el hidrógeno y el helio. Está presente en todos los organismos vivos. En el cuerpo humano, después del oxígeno, es el elemento más abundante en masa. Esta cantidad, combinada con la variedad de compuestos orgánicos, hace que el carbono sea la base de la vida.

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1. ¿Qué es el carbón?

Carbono - C (latín carboneum) es un elemento químico no metálico con un número atómico de 6. En la tabla periódica de elementos, está en el bloque p, en el grupo 14 (IVA). Tiene 4 electrones de valencia. Hay 3 isótopos naturales de carbono. 12C y 13C son estables mientras que el isótopo 14C es radiactivo. Su vida media es de aproximadamente 5700 años.

Fue conocido como uno de los pocos elementos en tiempos prehistóricos. El carbón fósil se ha utilizado como combustible desde el siglo IX. En la antigüedad, también se conocían el grafito y el diamante, pero entonces no se sabía que eran tipos alotrópicos de carbono (más sobre esto más adelante en el texto).

En 1773, el físico francés Antoine Lavoisier quemó un diamante en oxígeno y obtuvo dióxido de carbono. En 1779, el boticario químico germano-sueco Carl Scheele afirmó lo mismo para el grafito. El nombre polaco fue propuesto por primera vez por el químico polaco Filip Neriusz Walter.

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2. Variedades alotrópicas de carbón

El carbono viene en las siguientes variedades alotrópicas:

  • fullereno;
  • Diamante;
  • grafito;
  • grafeno;
  • ciclocarbono.

También distinguimos nanoburbujas y nanotubos, que no son enteramente alótropos del carbono, son más bien nombres de estructuras supramoleculares. Según informes no confirmados, también podemos hablar de la existencia de carabina y cadenas lineales.

3. Propiedades químicas del carbón

El carbono es un elemento divalente y tetravalente en los estados de oxidación +2, +4 y -4. Este elemento es químicamente inactivo, no es soluble en agua, bases y ácidos. A una temperatura de unos 20 ° C, solo reacciona con el flúor.

Cuando se calienta, el carbono reacciona con el azufre y el oxígeno y, a temperaturas muy altas, se combina directamente con el hidrógeno y muchos átomos para formar los llamados carburos.

Los átomos de carbono tienen la capacidad de unirse entre sí, gracias a lo cual hay una gran cantidad de compuestos de carbono, de anillo y cadena, ramificados y rectos. Además del carbono, estos compuestos incluyen nitrógeno, oxígeno, azufre y halógenos.

Uno de los tipos alotrópicos de carbono: el diamante es una sustancia con baja actividad, incluso a altas temperaturas. Se quema lentamente en el aire (más de 800 ° C), mientras que en oxígeno puro se quema más rápidamente. Ni los ácidos ni las bases funcionan en un diamante.

Otra forma alotrópica de carbono, el grafito, es una sustancia que también tiene poca actividad, pero que reacciona más fácilmente que el diamante. En el aire, el grafito se quema a una temperatura de aproximadamente 700 ° C. Reacciona con flúor en presencia de fluoruro de hidrógeno (HF) a temperaturas inferiores a 100 ° C, sin HF a temperaturas superiores a 400 ° C.

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4. Propiedades físicas y aplicación

El carbono es un sólido. Se disuelve en hierro fundido o algunos otros metales fundidos, pero no se disuelve en ningún disolvente conocido.

El carbón no se funde, sino que se sublima bajo la presión atmosférica y a temperaturas muy altas por encima de los 3500 ° C. Como ya hemos descrito, se presenta en dos alótropos básicos (diamante y grafito), que se diferencian en su forma cristalográfica. El carbono amorfo (hollín) es una forma cristalina fina de grafito.

4.1. Diamante

En su estado puro, el diamante crea estructuras transparentes e incoloras. Se caracteriza por una alta dureza (es el más duro de todos los minerales), rompe la luz con fuerza y ​​es un aislante (no conduce la electricidad).

El diamante tiene una densidad de 3,51 g / cm³. En la red espacial de un diamante, todos los átomos de carbono están rodeados por otros 4 átomos, algunos de los centros de gravedad están definidos por el tetraedro regular.

Cada enlace químico en la red de diamantes es un enlace covalente de igual longitud. Dependiendo de la cantidad y el tipo de impurezas, los cristales de diamante pueden ser de color rojo, amarillo, azul, violeta y marrón.

Los diamantes tallados son diamantes, su rasgo característico es un maravilloso juego de luces. Un diamante que sea adecuado para joyería es bastante raro. En primer lugar, la extracción de diamantes se utiliza con fines técnicos.

Se utiliza para rectificar cuerpos extremadamente duros, fabricar hojas para taladros de minería, cortar vidrio y crear cojinetes en instrumentos de precisión.

Calentar el diamante en ausencia de aire a una temperatura superior a 1500 ° C conduce a la producción de grafito. Revertir esta reacción y convertir el grafito en diamante es una operación difícil.

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4.2. Grafito

La segunda forma alotrópica básica de carbono es el grafito, también presente como mineral. Es de color negro y gris, graso y suave al tacto. Tiene un ligero brillo metálico, conduce bien el calor y la electricidad y tiene una densidad de 2,1 a 2,3 g / cm³.

La red espacial de este mineral consta de capas paralelas en las que los átomos de carbono tienen un número de coordinación de 3. Los enlaces atómicos fuertes tienen lugar solo entre los átomos de carbono en la capa, y entre las capas, estos enlaces son más débiles.

Los aditivos de grafito y arcilla fina como aglutinante se utilizan en la producción de crisoles para fundir metales. Dado que el grafito conduce bien la electricidad, se utiliza para fabricar electrodos para las industrias electro-metalúrgica y química.

También se usa para la producción de lápices, el grafito en forma de suspensión en aceite de máquina se usa como lubricante para mecanismos que operan a altas temperaturas o como moderador en pilas atómicas.

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4.3. Carbono amorfo

El carbono amorfo se produce por la descomposición térmica de muchas sustancias orgánicas. Las propiedades de este tipo de carbón (coque, hollín, carbón vegetal y hulla) dependen en gran medida del producto de partida y de la temperatura a la que se llevó a cabo la descomposición.

Obtenemos el coque en el proceso de destilación en seco (calentamiento sin oxígeno) de la hulla a una temperatura de 1000-1200 ° C. Se utiliza principalmente como combustible, así como en la síntesis de compuestos orgánicos a escala industrial.

El negro de carbón es producto de la descomposición térmica de muchos hidrocarburos y de la combustión incompleta de diversas sustancias orgánicas. Se utiliza para la producción de tintas, pinturas para pintar e imprimir y para rellenar caucho.

Obtenemos carbón vegetal como producto de la destilación seca antes mencionada. Tiene buenas propiedades de adsorción.

Como resultado de la carbonización del carbón vegetal a las temperaturas más bajas posibles con la adición de ZnCl2, obtenemos carbón activo con una superficie bien desarrollada. Se utiliza para absorber gases o sustancias disueltas en soluciones (decoloración de disolventes y preparaciones, secado de gases, purificación de aire de vapores). También se puede utilizar como portador de catalizador en síntesis orgánica.

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