Carbono

Carbono
6 C
- ↑ C ↓ Si Tabla periódica boro ← → carbono nitrógeno
Apariencia
claro (diamante) y negro (grafito) Las líneas espectrales de carbono
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número	de carbono, C, 6
Pronunciación	/ k ɑr b ən /
Categoría metálico	no metal
Grupo, período, bloque	14, 2, p
Peso atómico estándar	12.011 (1)
Configuración electrónica	[Él] 2s 2 2p 2 2, 4
Historia
Descubrimiento	Egipcios y sumerios (3750 aC)
Reconocido como un elemento de	Antoine Lavoisier (1789)
Propiedades físicas
Fase	sólido
Densidad (cerca rt)	amorfo: 1.8 a 2.1 g · cm -3
Densidad (cerca rt)	diamante: 3,515 g · cm -3
Densidad (cerca rt)	grafito: 2,267 g · cm -3
Punto de sublimación	3915 K, 3642 ° C, 6588 ° F
Punto Triple	4600 K (4327 ° C), 10800 kPa
Calor de fusión	117 (grafito) kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar	6.155 (diamante) 8.517 (grafito) J · mol -1 · K -1
Propiedades atómicas
Estados de oxidación	4, 3, 2, 1, 0, -1, -2 , -3 , -4
Electronegatividad	2,55 (escala de Pauling)
Energías de ionización ( más)	Primero: 1086,5 kJ · mol -1
	Segundo: 2352,6 kJ · mol -1
	Tercero: 4620,5 kJ · mol -1
Radio covalente	77 (sp³), 73 (sp²), 69 (sp) pm
Van der Waals radio	170 pm
Miscelánea
Estructura cristalina	diamante (Diamante, claro)
	sencilla hexagonal (Grafito, negro)
Ordenamiento magnético	diamagnético
Conductividad térmica	900-2300 (diamante) 119-165 (grafito) W · m -1 · K -1
Expansión térmica	(25 ° C) 0,8 (diamante) micras · m -1 · K -1
Velocidad del sonido (varilla delgada)	(20 ° C) 18.350 (diamante) m · s -1
El módulo de Young	1050 (diamante) GPa
Módulo de corte	478 (diamante) GPa
Módulo de volumen	442 (diamante) GPa
Relación de Poisson	0,1 (diamante)
Dureza de Mohs	10 (diamante) 1-2 (grafito)
Número de registro del CAS	7440-44-0
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de carbono
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP 15 11 C syn 20 min β + 0.96 11 B 12 C 98,9% 12 C es estable con 6 neutrones 13 C 1,1% 13 C es estable con 7 neutrones 14 C rastro 5730 y β - 0.15 14 N

Carbono (de América : carbo "carbón") es el elemento químico con el símbolo C y número atómico 6. Como miembro de grupo 14 en la tabla periódica , es no metálico y tetravalente de decisiones cuatro electrones disponibles para formar enlaces químicos covalentes. Hay tres de origen natural isótopos , con ¹² C y ¹³ C siendo estable, mientras ¹⁴ C es radiactivos, decayendo con una vida media de aproximadamente 5730 años. El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad.

Hay varios alótropos de carbono de las cuales las más conocidas son grafito, diamante , y carbono amorfo. La propiedades físicas de carbono varían ampliamente con la forma alotrópica. Por ejemplo, el diamante es altamente transparente, mientras que el grafito es opaco y negro. Diamond es uno de los materiales más duros conocidos, mientras que el grafito es lo suficientemente suave para formar una raya en el papel (de ahí su nombre, de la palabra griega "escribir"). El diamante tiene una muy baja conductividad eléctrica, mientras que el grafito es una muy buena conductor. En condiciones normales, diamante, nanotubo de carbono y grafeno tiene el más alto conductividades térmicas de todos los materiales conocidos.

Todos los alótropos de carbono son sólidos en condiciones normales con grafito siendo el más forma termodinámicamente estable. Son resistentes químicamente y requieren de alta temperatura para reaccionar incluso con oxígeno. El más común estado de oxidación del carbono en compuestos inorgánicos es 4, mientras que 2 se encuentra en monóxido de carbono y otro metal de transición complejos de carbonilo. Las mayores fuentes de carbono inorgánico son calizas, dolomías y dióxido de carbono , pero cantidades significativas se producen en depósitos orgánicos de carbón , turba, aceite y clatratos de metano. Carbon forma más compuestos que cualquier otro elemento, con casi diez millones de puros compuestos orgánicos descritos hasta la fecha, lo que a su vez son una pequeña fracción de tales compuestos que son teóricamente posible bajo condiciones estándar.

El carbono es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre, y la cuarto elemento más abundante en el universo en masa después de hidrógeno , helio y oxígeno . Está presente en todas las formas de vida conocidas, y en el carbono cuerpo humano es el segundo elemento más abundante en masa (aproximadamente 18,5%) después del oxígeno. Esta abundancia, junto con la diversidad única de compuestos orgánicos y su capacidad de formación de polímero inusual a las temperaturas comúnmente encontradas en la Tierra , hacen de este elemento de la base química de toda la vida conocida.

Características

Teóricamente diagrama de fase predicha de carbono

Las diferentes formas o alótropos de carbono (véase más adelante) incluyen la sustancia natural más dura, de diamante , y también una de las sustancias más suave conocidos, grafito. Además, tiene una afinidad por la unión con otras pequeñas átomos , incluyendo otros átomos de carbono, y es capaz de formar múltiple estable enlaces covalentes con dichos átomos. Como resultado, el carbono se conoce para formar casi diez millones de compuestos diferentes; la gran mayoría de todos los compuestos químicos . El carbono también tiene el mayor de sublimación de todos los elementos. En la presión atmosférica no tiene un punto de fusión como su punto triple está a 10,8 ± 0,2 MPa y 4.600 ± 300 K (~ 4330 ° C o 7820 ° F), por lo que sublima a unos 3900 K.

Sublima de carbono en un arco de carbono que tiene una temperatura de aproximadamente 5800 K (5530 ° C; 9980 ° F). Por lo tanto, independientemente de su forma alotrópica, el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que los metales de punto de fusión más altos, tales como de tungsteno o renio . Aunque termodinámicamente propensos a la oxidación, resiste la oxidación de carbono con más eficacia que elementos tales como hierro y cobre que son agentes reductores más débiles a temperatura ambiente.

Los compuestos de carbono son la base de toda la vida conocida en la Tierra , y la ciclo carbono-nitrógeno proporciona parte de la energía producida por el Sol y otras estrellas. Aunque forma una extraordinaria variedad de compuestos, la mayoría de formas de carbono son relativamente no reactivo en condiciones normales. A temperatura y presión estándar, resiste todos, pero los oxidantes fuertes. No reacciona con el ácido sulfúrico , ácido clorhídrico , cloro o cualquier álcalis. A temperaturas elevadas de carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono, y reducirá tales óxidos metálicos como óxido de hierro al metal. Este reacción exotérmica se utiliza en la industria del hierro y el acero para controlar el contenido de carbono del acero:

Fe ₃ O ₄ + 4 C _(s) → 3 Fe _(s) + 4 CO _(g)

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

C _(s) + H ₂ O _(g) → CO _(g) + H _{2 (g).}

Carbono se combina con algunos metales a altas temperaturas para formar carburos metálicos, tales como el carburo de hierro cementita en acero, y carburo de tungsteno, ampliamente utilizado como una abrasivo y para hacer sugerencias duros para herramientas de corte.

A partir de 2009, grafeno parece ser el material más fuerte jamás probado. Sin embargo, el proceso de separación desde grafito requerirá algún desarrollo tecnológico antes de que sea suficientemente económica para ser utilizado en procesos industriales.

El sistema de alótropos de carbono abarca una gama de extremos:

Alótropos

Carbono atómico es una especie de muy corta duración y, por lo tanto, el carbono se estabiliza en diversas estructuras multi-atómicas con diferentes configuraciones moleculares denominadas alótropos . Los tres alótropos relativamente bien conocidos de carbono son carbono amorfo, grafito y diamante . Una vez considerada exótica, fullerenos están hoy en día comúnmente sintetizados y utilizados en la investigación; que incluyen buckyballs, nanotubos de carbono, nanobuds de carbono y nanofibras. Varios otros alótropos exóticos también se han descubierto, tales como lonsdaleíta, carbón vítreo, nanoespuma de carbono y de carbono acetilénico lineal (carbino).

La forma amorfa es un surtido de átomos de carbono en un no cristalina, irregular, estado vítreo, que es esencialmente grafito, pero no tuvo lugar en una macroestructura cristalina. Está presente en forma de polvo, y es el principal constituyente de sustancias tales como carbón de leña, negro de humo ( hollín) y carbón activado. A presiones normales de carbono adopta la forma de grafito, en el que cada átomo está unido a otros tres trigonal en un plano compuesto por fusionados hexagonales anillos, al igual que los de hidrocarburos aromáticos. La red resultante es 2-dimensional, y las láminas planas resultantes se apilan y se une débilmente a través débil fuerzas de van der Waals . Esto da grafito su suavidad y su propiedades de escisión (las hojas se deslizan fácilmente una sobre otra). Debido a la deslocalización de uno de los electrones exteriores de cada átomo para formar una π en la nube, grafito conduce la electricidad , pero sólo en el plano de cada unido covalentemente hoja. Esto resulta en un mayor menor conductividad eléctrica de carbono que para la mayoría de los metales . La deslocalización también es responsable de la estabilidad energética de grafito sobre el diamante a temperatura ambiente.

Algunos alótropos de carbono: a) de diamantes ; b) grafito; c) lonsdaleíta; d-f) fullerenos (C _60, C _540, C _70); g) carbono amorfo; h) nanotubo de carbono.

A muy altas presiones de carbono forma el alótropo más compacto de diamante , que tiene casi el doble de la densidad del grafito. Aquí, cada átomo está unido tetraédricamente a otros cuatro, haciendo así una red 3-dimensional de fruncidos anillos de seis miembros de átomos. El diamante tiene el mismo estructura cúbica como el silicio y el germanio y debido a la fuerza de los enlaces carbono-carbono bonos , es la sustancia natural más dura en términos de resistencia al rayado . Contrariamente a la creencia popular de que " los diamantes son para siempre ", en realidad son termodinámicamente inestables en condiciones normales y se transforman en grafito. Sin embargo, debido a una barrera de energía de activación alta, la transición en grafito es tan extremadamente lento a temperatura ambiente como para ser imperceptible. Bajo algunas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleíta. Esta forma tiene un hexagonal crystal lattice donde todos los átomos están unidos covalentemente. Por lo tanto, todas las propiedades de lonsdaleíta son similares a las de diamante.

Los fulerenos tienen una estructura semejante al grafito, pero en vez de puramente empaquetamiento hexagonal, también contienen pentágonos (o incluso heptágonos) de átomos de carbono, que permite doblar la hoja en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (Dividir en buckyballs, buckytubes y nanobuds) todavía no se han analizado completamente y representan un área de intensa de la investigación en nanomateriales. Los nombres "fullereno" y "buckyball" se da después Richard Buckminster Fuller, divulgador de cúpulas geodésicas, que se asemejan a la estructura de los fullerenos. Los fullerenos son bastante grandes moléculas formadas completamente de carbono unido trigonal, formando esferoides (el más conocido y el más simple es el C en forma de balón de _fútbol-60 buckminsterfullereno). Los nanotubos de carbono son estructuralmente similares a buckyballs, excepto que cada átomo está unido trigonal en una lámina curvada que forma un hueco cilindro. Nanobuds se informó por primera vez en 2007 y son materiales de tubo / buckyball Bucky híbridos (buckyballs están unidos covalentemente a la pared exterior de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una sola estructura.

De los otros alótropos descubiertos, nanoespuma de carbono es una alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Se compone de una baja densidad cluster-ensamblaje de átomos de carbono ensartados en una red tridimensional floja, en la que los átomos están unidos trigonal en los anillos de seis y siete miembros. Es uno de los sólidos más ligero conocidos, con una densidad de aproximadamente 2 kg / m ^3. Del mismo modo, carbono vítreo contiene una alta proporción de cerrada porosidad, pero al contrario de grafito normal, las capas de grafito no están apilados como las páginas de un libro, pero tienen un arreglo más aleatorio. Carbono acetilénico lineal tiene la estructura química - (C ::: C) _n -. Carbono en esta modificación es lineal con sp hibridación orbital, y es una polímero con alternancia de enlaces simples y triples. Este tipo de carbino es de considerable interés para nanotecnología como su El módulo de Young es cuarenta veces más que el material más duro conocido - diamante.

Aparición

Mineral de grafito

Cristal de diamante en bruto.

(1990) la superficie del mar "Día de hoy" concentración de carbono inorgánico disuelto (de la GLODAP climatología)

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo en masa después del hidrógeno, helio y oxígeno. El carbono es abundante en los Sun , estrellas , cometas , y en el atmósferas de la mayoría de los planetas . Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar era todavía un disco protoplanetario. Diamantes microscópicos pueden formarse también por la intensa presión y alta temperatura en los sitios de impactos de meteoritos.

En combinación con el oxígeno en dióxido de carbono , el carbono se encuentra en la atmósfera de la Tierra (aproximadamente 810 gigatoneladas de carbono) y disueltos en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36 000 gigatoneladas de carbono). Alrededor de 1.900 gigatoneladas de carbono están presentes en la biosfera . Hidrocarburos (tales como carbón , petróleo y gas natural ) contienen carbono como bien carbón "reservas" (no "recursos") por importe de alrededor de 900 gigatoneladas, y las reservas de petróleo alrededor de 150 gigatoneladas. Fuentes probadas de gas natural son aproximadamente 175 10 ¹² metros cúbicos (que representan cerca de 105 gigatoneladas de carbono), pero se estima que hay también alrededor de 900 10 ¹² metros cúbicos de gas "no convencional", como el gas de esquisto, lo que representa cerca de 540 gigatoneladas de carbono. (En el pasado, las cantidades de hidrocarburos fueron mayores. En el período 1751-2008 aproximadamente 347 gigatoneladas de carbono fueron liberados en forma de dióxido de carbono a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles.) De carbono también está encerrada como metano y hidratos de metano en las regiones polares. Se estima que al menos 1.400 Gt de carbono es en esta forma sólo en (y bajo) el submarino permafrost de la Plataforma de Siberia.

El carbono es un componente muy importante en grandes masas de carbonato de roca ( piedra caliza, dolomita, mármol, etc.). El carbón es la mayor fuente comercial de carbón mineral, lo que representa 4.000 gigatoneladas o 80% del combustible de carbono fósil. También es rico en carbono - por ejemplo, antracita contiene 92-98%.

En cuanto a alótropos de carbono individuales, grafito se encuentra en grandes cantidades en el Estados Unidos (principalmente en Nueva York y Texas), Rusia , México , Groenlandia , y la India . Los diamantes naturales se producen en la roca kimberlita, que se encuentra en las antiguas volcánicas "cuellos", o "tubos". La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África , sobre todo en Sudáfrica , Namibia , Botswana , la República del Congo y Sierra Leona . También hay depósitos en Arkansas, Canadá , el ruso del Ártico , Brasil y en el norte y el oeste de Australia . Los diamantes son ahora también se recuperaron del fondo del mar frente a la Cabo de Buena Esperanza. Sin embargo, aunque los diamantes se encuentran de forma natural, alrededor del 30% de todos los diamantes industriales utilizados en los EE.UU. están ahora sintéticamente.

Se forma Carbon-14 en las capas superiores de la troposfera y la estratosfera, a una altura de 9-15 km, por una reacción que se precipita por los rayos cósmicos. Neutrones térmicos son producidos que chocan con los núcleos de nitrógeno-14, formando de carbono-14 y un protón.

Isótopos

Los isótopos de carbono son los núcleos atómicos que contienen seis protones más un número de neutrones (que varía de 2 a 16). El carbono tiene dos, de origen natural estables isótopos . El isótopo carbono-12 (C ¹²⁾ forma 98,93% del carbono en la Tierra, mientras carbono-13 (C ¹³⁾ forma el 1,07% restante. La concentración de ¹² C se incrementa aún más en materiales biológicos porque las reacciones bioquímicas discriminan a ¹³ C. En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para pesos atómicos. Identificación de carbono en Experimentos de RMN se hace con el isótopo ¹³ C

Carbon-14 ⁽¹⁴ C) es una de origen natural radioisótopo que se produce en cantidades de rastro en la Tierra de hasta 1 parte por billones (0,0000000001%), limita principalmente a la atmósfera y superficiales depósitos, en particular de turba y otros materiales orgánicos. Este isótopo se desintegra por 0,158 MeV β ^- emisión. Debido a su relativamente corta vida media de 5730 años, el ¹⁴ C es prácticamente ausente en las rocas antiguas, pero se crea en el atmósfera superior (inferior estratosfera y superior troposfera) por la interacción de nitrógeno con los rayos cósmicos. La abundancia de ¹⁴ C en el ambiente y en los seres vivos es casi constante, pero disminuye predecible en sus cuerpos después de la muerte. Este principio se utiliza en datación por radiocarbono, inventado en 1949, que ha sido ampliamente utilizado para determinar la edad de materiales carbonosos con edades de hasta unos 40.000 años.

Hay 15 isótopos conocidos de carbono y vivido más corta la de ellos es ⁸ C que decae a través emisión de protón y desintegración alfa y tiene una vida media de 1.98739x10 ^-21 s. El exótico ¹⁹ C muestra una de halo nuclear, que significa que su radio es apreciablemente mayor que sería de esperar si el núcleo fuera una esfera de la constante de densidad .

Formación en estrellas

Formación del núcleo atómico de carbono requiere un triple colisión casi simultánea de partículas alfa ( helio núcleos) dentro del núcleo de una gigante o estrella supergigante que se conoce como la proceso triple alfa, como los productos de otras reacciones de fusión nuclear de helio con hidrógeno u otro producto núcleo de helio litio-5 y berilio-8 respectivamente, ambos de los cuales son altamente inestables y decaen casi instantáneamente de nuevo en núcleos más pequeños. Esto ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 concentración megakelvin y helio que la rápida expansión y enfriamiento del universo temprano prohibidas, y por lo tanto no se creó ninguna carbono significativo durante el Big Bang . En cambio, los interiores de las estrellas en el rama horizontal transformada de tres núcleos de helio en carbono por medio de este proceso triple alfa. Con el fin de estar disponible para la formación de la vida tal como la conocemos, este carbono debe luego ser dispersada hacia el espacio en forma de polvo, en supernova explosiones, como parte del material que más tarde las formas en segundo lugar, los sistemas de estrellas de tercera generación que tienen planetas acretaron de ese polvo. El Sistema Solar es uno de esos la tercera generación de sistema de estrellas. Otra de las estrellas mecanismos de fusión mediante alimentación es la Ciclo CNO, en el que los actos de carbono como un catalizador para permitir que la reacción proceda.

Transiciones rotacionales de diversas formas isotópicas de monóxido de carbono (por ejemplo, ¹² CO, CO ¹³ y C ¹⁸ O) son detectables en la gama de longitud de onda submilimétrica, y se utilizan en el estudio de recién formando estrellas en nubes moleculares.

El ciclo del carbono

Diagrama del ciclo del carbono. Los números negros indican la cantidad de carbono almacenado en diversos embalses, en miles de millones de toneladas ("GtC" significa gigatoneladas de carbono; cifras son alrededor del año 2004). Los números púrpuras indican carbono se mueve entre lo mucho embalses cada año. Los sedimentos, tal como se define en este diagrama, no incluya el ~ 70 millones GtC de roca carbonatada y kerógeno.

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento a otro es muy raro. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es de hecho, constante. Por lo tanto, los procesos que utilizan carbón deben obtener en algún lugar y disponer de él en otro lugar. Los caminos que sigue el carbono en el medio ambiente constituyen la ciclo del carbono. Por ejemplo, las plantas extraen el dióxido de carbono de su entorno y lo usan para construir la biomasa, como en la respiración de carbono o Ciclo de Calvin, un proceso de fijación de carbono. Parte de esta biomasa es comido por los animales, mientras que algunos de carbono es exhalado por los animales como el dióxido de carbono. El ciclo del carbono es considerablemente más complicado que este bucle corto; por ejemplo, algo de dióxido de carbono se disuelve en los océanos; planta muerta o materia animal puede llegar a ser el petróleo o el carbón , que puede arder con la liberación de carbono, deben bacterias no consumirlo.

Compuestos

Compuestos orgánicos

Fórmula estructural del metano , el compuesto orgánico más simple posible.

Correlación entre el ciclo del carbono y la formación de compuestos orgánicos. En las plantas, el dióxido de carbono formado por la fijación de carbono puede unirse con el agua en la fotosíntesis (verde) para formar compuestos orgánicos, que pueden ser utilizados y más convertidos por las plantas y los animales.

El carbono tiene la capacidad de formar cadenas muy largas de interconexión de enlaces CC. Esta propiedad se llama catenation. Enlaces carbono-carbono son fuertes y estables. Esta propiedad permite que el carbono para formar un número casi infinito de compuestos; de hecho, hay compuestos que contienen carbono más conocidos que todos los compuestos de los demás elementos químicos combinados, excepto las de hidrógeno (porque casi todos los compuestos orgánicos contienen hidrógeno también).

La forma más simple de una molécula orgánica es la hidrocarburos una gran familia de moléculas orgánicas que se componen de hidrógeno átomos unidos a una cadena de átomos de carbono. Largo de la cadena, cadenas laterales y grupos funcionales afectan las propiedades de las moléculas orgánicas. Por La definición de la IUPAC, todos los demás compuestos orgánicos son compuestos funcionalizados de hidrocarburos.

Carbon se produce en todos los conocidos la vida orgánica y es la base de la química orgánica . Al unirse con hidrógeno , forma diversos hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, disolventes , como materia prima química para la fabricación de plásticos y petroquímicos y como los combustibles fósiles .

Cuando se combina con el oxígeno y el hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes incluyendo azúcares , lignanos, quitinas, alcoholes , grasas, y aromáticos ésteres, carotenoides y terpenos. Con nitrógeno que forma alcaloides, y con la adición de azufre también se forman los antibióticos , aminoácidos , y caucho productos. Con la adición de fósforo a estos otros elementos, forma de ADN y ARN, los portadores de códigos de química de la vida, y la adenosina trifosfato (ATP), la molécula de transferencia de energía más importante de todas las células vivas.

Compuestos inorgánicos

Comúnmente compuestos que están asociados con minerales o que no contengan un hidrógeno o flúor que contiene carbono, se tratan por separado de clásicos compuestos orgánicos ; sin embargo, la definición no es rígida (ver artículos de referencia anterior). Entre estos son los óxidos de carbono simples. El óxido más prominente es el dióxido de carbono (CO _2). Esta vez fue el principal constituyente de la paleoatmosphere, pero es un componente menor de la atmósfera de la Tierra hoy en día. Disuelto en agua , forma ácido carbónico (H ₂ CO _3), pero como la mayoría de los compuestos con múltiples oxígenos de un solo unido en una sola de carbono es inestable. A través de este intermedio, sin embargo, estabilizado por resonancia de carbonato de iones se producen. Algunos minerales importantes son los carbonatos, en particular calcita . Disulfuro de carbono (CS ₂₎ es similar.

El otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Está formado por la combustión incompleta, y es un gas incoloro e inodoro. Las moléculas de cada contienen un triple enlace y son bastante polar, resultando en una tendencia a unirse permanentemente a las moléculas de hemoglobina, desplazando el oxígeno, que tiene una afinidad de unión inferior. El cianuro (CN ^-), tiene una estructura similar, pero se comporta como una ion haluro ( pseudohalógeno). Por ejemplo, puede formar el nitruro molécula de cianógeno ((CN) _2), similar a los haluros de diatómicas. Otros óxidos poco comunes son subóxido de carbono (C ₃ O _2), el inestable Monóxido de dicarbono (C ₂ O), trióxido de carbono (CO _3), cyclopentanepentone (C ₅ O ₅₎ cyclohexanehexone (C ₆ O _6), y anhídrido melítico (C ₁₂ O _9).

Con reactivos metales , tales como tungsteno , formas de carbono ya sea carburos (C ^4-), o acetiluros (C 2-
2) para formar aleaciones con altos puntos de fusión. Estos aniones también se asocian con el metano y acetileno , ambos muy débiles ácidos . Con una electronegatividad de 2,5, el carbono para formar prefiere enlaces covalentes. Unos carburos son celosías covalentes, como carborundo (carburo de silicio), que se asemeja diamante .

Los compuestos organometálicos

Compuestos organometálicos, por definición, contienen al menos un enlace carbono-metal. Una amplia gama de tales compuestos; clases principales incluyen compuestos de alquil-metálicos sencillos (por ejemplo, tetraetilo de plomo), η ² -alqueno compuestos (por ejemplo, Compuestos η ³ alil sal de Zeise), y (por ejemplo, cloruro de alilpaladio dímero); metalocenos que contienen ligandos de ciclopentadienilo (por ejemplo, ferroceno); y transición complejos de carbeno de metal. Muchos existen carbonilos metálicos (por ejemplo, tetracarbonylnickel); algunos trabajadores consideran que el monóxido de carbono ligando a ser puramente inorgánico, y no organometálico.

Mientras que el carbono se entiende exclusivamente para formar cuatro enlaces, un compuesto interesante que contiene un átomo de carbono octaédrica hexacoordinado ha sido reportado. El catión del compuesto es [(Ph ₃ PAU) ₆ C] ^2+. Este fenómeno se ha atribuido a la Aurofilicidad de los ligandos de oro.

Historia y etimología

Antoine Lavoisier en su juventud

El Inglés de carbono nombre proviene del latín carbo para el carbón y el carbón vegetal, de donde también proviene el francés charbon, lo que significa carbón. En alemán , holandés y Danés, los nombres de carbono son Kohlenstoff, koolstof y kulstof respectivamente, todos literalmente significa carbón -sustancia.

Carbon fue descubierto en la prehistoria y era conocido en las formas de hollín y carbón para los primeros humanos civilizaciones . Los diamantes eran conocidos probablemente tan pronto como 2500 aC en China, mientras carbono en la forma de carbón fue hecho alrededor de la época romana por la misma química que es hoy, calentando la madera en una pirámide cubierta de arcilla para excluir el aire.

Carl Wilhelm Scheele

En 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demostró que el hierro se transformó en acero a través de la absorción de alguna sustancia, ahora conocido por ser de carbono. En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón y el diamante y encontró que ni produce nada de agua y que tanto libera la misma cantidad de dióxido de carbono por gramo. En 1779, Carl Wilhelm Scheele mostró que el grafito, que había sido considerado como una forma de plomo , era idéntica lugar con carbón vegetal pero con una pequeña mezcla de hierro, y que dio "ácido aérea" (su nombre para el dióxido de carbono) cuando se oxida con ácido nítrico ácido. En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge y CA Vandermonde confirmaron que el grafito era principalmente de carbono por oxidación en oxígeno en mucho la misma manera Lavoisier había hecho con el diamante. Un poco de hierro fue de nuevo a la izquierda, lo que pensaban los científicos franceses era necesario para la estructura de grafito. Sin embargo, en su publicación propusieron el nombre carbone (carbonum América) para el elemento de grafito que se emite en forma de un gas durante la quema de grafito. Antoine Lavoisier entonces aparece de carbono como un elemento en su libro de texto de 1789.

Un nuevo alótropo del carbono, fullereno, que fue descubierto en 1985 incluye formas nanoestructuradas como buckyballs y nanotubos. Sus descubridores - Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley - recibió el Premio Nobel de Química en 1996. El renovado interés que resulta en nuevas formas condujo al descubrimiento de nuevos alótropos exóticos, incluyendo carbón vítreo, y la constatación de que " carbono amorfo "no es estrictamente amorfo.

Producción

Grafito

Comercialmente depósitos naturales viables de grafito se producen en muchas partes del mundo, pero las fuentes más importantes económicamente están en china , la India , Brasil y Corea del Norte . Depósitos de grafito son de metamórfica de origen, que se encuentra en asociación con cuarzo , mica y feldespatos en esquistos, gneis y metamorfoseado areniscas y como piedra caliza lentes o venas, a veces de un metro o más de espesor. Los depósitos de grafito en Borrowdale, Cumberland, Inglaterra estaban en primero de tamaño y pureza suficientes de que, hasta el siglo 19, lápices se hicieron simplemente por aserrado bloques de grafito natural en tiras antes de encerrar las tiras de madera. Hoy en día, los depósitos más pequeños de grafito se obtiene del prensado de la roca madre y flotando el grafito encendedor en el agua.

Hay tres tipos de grafito amorfo natural, escamas o escama cristalina, y la vena o bulto. Grafito amorfo es la calidad más baja y más abundante. En contra de la ciencia, en la industria "amorfo" se refiere al tamaño muy pequeño de cristal en lugar de completa falta de estructura cristalina. Amorfo se utiliza para productos de grafito valor más bajo y es el grafito de precio más bajo. Grandes depósitos de grafito amorfo se encuentran en China, Europa, México y Estados Unidos. Flake grafito es menos común y de mayor calidad que amorfo; se presenta como placas separadas que cristalizaron en roca metamórfica. Flake grafito puede ser cuatro veces el precio de amorfo. Copos de buena calidad se pueden procesar en grafito expandible para muchos usos, tales como retardantes de llama. Los depósitos más importantes se encuentran en Alemania, Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. Vena o grafito bulto es el, más valioso, y el tipo de la más alta calidad más rara de grafito natural. Ocurre en venas a lo largo contactos intrusivos en bultos sólidos, y se extrae sólo comercialmente en Sri Lanka.

De acuerdo con la USGS, la producción mundial de grafito natural fue de 1,1 millones de toneladas en 2010, en el que China contribuyeron 800,00 t, India 130.000 t, 76.000 t Brasil, Corea del Norte 30.000 ty 25.000 t Canadá. No grafito natural se informó extraído en los Estados Unidos, pero 118 mil toneladas de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones dólares se produjo en 2009.

Diamante

La producción de diamantes en 2005

La cadena de suministro del diamante es controlada por un número limitado de empresas poderosas, y también está muy concentrada en un pequeño número de lugares en todo el mundo (véase el gráfico).

Sólo una fracción muy pequeña del mineral del diamante consiste en diamantes reales. El mineral es machacado, durante el cual el cuidado tiene que ser tomado con el fin de evitar que los diamantes más grandes de ser destruidas en este proceso y, posteriormente, las partículas están ordenados por densidad. Hoy en día, los diamantes se encuentran en la fracción de densidad rica en diamantes con la ayuda de Fluorescencia de rayos X, después de lo cual los pasos de clasificación final se hace a mano. Antes de la utilización de Los rayos X se convirtió en un lugar común, la separación se hizo con cinturones de grasa; diamantes tienen una tendencia más fuerte a pegarse a la grasa que los otros minerales en el mineral.

Históricamente los diamantes eran conocidos sólo se encuentran en los depósitos aluviales en sur de la India. India llevó el mundo en la producción de diamantes desde el momento de su descubrimiento en aproximadamente el siglo BCE novena a la mitad del siglo 18 dC, pero el potencial comercial de estas fuentes había sido agotado por los finales del siglo 18 y en ese momento la India fue eclipsada por Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes no indígenas en 1725.

La producción de diamantes de depósitos primarios (kimberlitas y lamproítas) sólo iniciadas en la década de 1870 después del descubrimiento de los yacimientos de diamantes en Sudáfrica. La producción se ha incrementado con el tiempo y ahora un total acumulado de 4,5 mil millones de quilates han minado desde esa fecha. Alrededor del 20% de esa cantidad se ha extraído en los últimos 5 años solo, y durante los últimos diez años 9 nuevas minas han comenzado la producción, mientras que 4 más están esperando que se abra pronto. La mayoría de estas minas se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola, y uno en Rusia.

En los Estados Unidos, los diamantes se han encontrado en Arkansas, Colorado y Montana. En 2004, un sorprendente descubrimiento de un diamante microscópico en los Estados Unidos llevó a la mayor-muestreo de enero 2008 tubos de kimberlita en una parte remota de Montana.

Hoy en día, los depósitos de diamantes más comercialmente viables están en Rusia , Botswana , Australia y la República Democrática del Congo . En 2005, Rusia produjo casi un quinto de la producción mundial de diamantes, informa el British Geological Survey. Australia tiene el tubo diamantífero más rico con la producción alcanzando niveles máximos de 42 toneladas métricas (41 toneladas largas; 46 toneladas cortas) por año en la década de 1990. Hay también depósitos comerciales que son minados activamente en la Territorios del Noroeste de Canadá , Siberia (sobre todo en Yakutia territorio; por ejemplo, Tubería Mir y Udachnaya tubería), Brasil, y en el norte y el oeste de Australia .

Aplicaciones

Lápiz conduce para lápices mecánicos están hechos de grafito (mezcla a menudo con una arcilla o aglutinante sintético).

Palillos de la vid y comprimido carbón vegetal.

Un paño de filamentos de carbono tejidas

Carburo de silicio solo cristal

El _C60 fullereno en forma cristalina

Bits de fresado de carburo de tungsteno

El carbono es esencial para todos los sistemas vivos conocidos, y sin ella la vida tal como la conocemos no podría existir (ver bioquímica alternativa). El uso económico importante de carbono distintos de alimentos y la madera es en forma de hidrocarburos, especialmente el combustible fósil de metano del gas y el petróleo crudo (petróleo). El petróleo crudo es utilizado por la industria petroquímica para producir, entre otras cosas, gasolina y queroseno, a través de una destilación de procesos, en las refinerías. La celulosa es un polímero natural, que contiene carbono producido por las plantas en forma de algodón , lino y cáñamo. La celulosa es principalmente utilizado para mantener la estructura de las plantas. Comercialmente polímeros de carbono valiosos de origen animal incluyen lana , cachemira y seda. Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incluyen a intervalos regulares en la cadena principal del polímero. Las materias primas para muchas de estas sustancias sintéticas provienen de petróleo crudo.

Los usos de carbono y sus compuestos son extremadamente variadas. Puede formar aleaciones con hierro , de los cuales el más común es acero al carbono. El grafito se combina con arcillas para formar el 'plomo' utilizado en lápices utilizados para la escritura y dibujo . También se utiliza como una lubricante y un pigmento , como un material de moldeo en vidrio fabricación, en electrodos para secas las pilas y en galvanoplastia y electroformación, en cepillos para motores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares.

El carbón vegetal se usa como material de dibujo en las ilustraciones , para asar a la parrilla, y en muchos otros usos, incluyendo la fundición de hierro. Madera, carbón y petróleo se utilizan como combustible para la producción de energía y espacio de calentamiento. Gem calidad del diamante se utiliza en joyería y diamantes industriales se utilizan en la perforación, corte y pulido de las herramientas para el mecanizado de metales y piedra. Los plásticos están hechos a partir de hidrocarburos fósiles, y fibra de carbono, hecho por pirólisis de sintéticas de poliéster fibras se utiliza para reforzar plásticos para formar avanzados, ligeros materiales compuestos. La fibra de carbono se hace por pirólisis de extruido y estirado de filamentos de poliacrilonitrilo (PAN) y otra orgánica sustancias. La estructura y propiedades mecánicas cristalográficos de la fibra dependen del tipo de material de partida, y en el procesamiento posterior. Las fibras de carbono a base de PAN tienen una estructura semejante a filamentos estrechos de grafito, pero el procesamiento térmico pueden reordenar la estructura en una hoja de laminado continuo. El resultado es fibras con mayor resistencia a la tracción específica que el acero.

El negro de carbón se utiliza como el negro pigmento en impresión la tinta, pintura de aceite y de agua de colores del artista, papel carbón, acabados automotrices, tinta china y la impresora láser de tóner. El negro de carbón también se utiliza como relleno en goma productos como neumáticos y plásticos compuestos. El carbón activado se utiliza como un absorbente y adsorbente en material de filtro en aplicaciones tan diversas como máscaras de gas, purificación de agua y cocina campanas extractoras y en medicina para absorber toxinas, venenos, o gases desde el sistema digestivo. Carbono se utiliza en la reducción química a altas temperaturas. Coke se utiliza para reducir el mineral de hierro en hierro. endurecimiento caso del acero se consigue por componentes de acero de calefacción acabado en polvo de carbono. Carburos de silicio, tungsteno, boro y titanio, se encuentran entre los más dura conocida materiales, y se utilizan como abrasivos en herramientas de corte y rectificado. Compuestos de carbono constituyen la mayor parte de los materiales utilizados en la ropa, como naturales y sintéticas textiles y cuero, y casi todas las superficies interiores del entorno construido que no sea vidrio, piedra y metal.

Diamantes

El diamante de la industria se puede separar en dos categorías básicamente distintas: una negociación con los diamantes gema de grado y otro para los diamantes de grado industrial. Si bien existe un gran comercio en ambos tipos de diamantes, los dos mercados actúan de manera espectacular diferentes maneras.

Una gran comercio dediamantes gema existe grado. Desemejante metales preciosos como elorooel platino, diamantes gema no comercian como unamercancía: hay un importante margen de ganancia en la venta de diamantes, y no hay un mercado muy activo para la reventa de los diamantes.

El mercado de los diamantes de grado industrial opera de manera muy diferente de su homólogo joya-grado. Diamantes industriales se valoran sobre todo por su dureza y conductividad térmica, por lo que muchas de las características gemológicos de diamante, incluyendo la claridad y color, en su mayoría irrelevantes. Esto ayuda a explicar por qué el 80% de los diamantes extraídos (equivalente a unos 100 millones de quilates o de 20 toneladas al año), no aptos para su uso como piedras preciosas y conocidos como Bort , están destinados para el uso industrial. Además de los diamantes minados, los diamantes sintéticos encontraron aplicaciones industriales casi inmediatamente después de su invención en la década de 1950; otros 3 mil millones de quilates (600 toneladas) de diamante sintético se producen anualmente para uso industrial. El uso industrial dominante de diamante es en el corte, taladrado, rectificado, y el pulido. La mayoría de los usos de los diamantes en estas tecnologías no requieren grandes diamantes; de hecho, la mayoría de los diamantes que son de calidad gema excepto por su pequeño tamaño, pueden encontrar un uso industrial. Los diamantes están incrustados en las puntas de perforación o de hojas de sierra, o molido en un polvo para su uso en aplicaciones de esmerilado y pulido. Aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como la contención de los experimentos de alta presión (véase la celda de yunque de diamante), de alto rendimiento de bolas, de uso limitado en especializados ventanas. Con los continuos avances que se realizan en la producción de diamantes sintéticos, aplicaciones futuras están empezando a ser factible. Obteniendo mucho entusiasmo es el posible uso de diamante como un semiconductor adecuado para construir microchips de, o el uso de diamante como un disipador de calor en la electrónica .

Precauciones

Trabajador en laplanta de carbón negro enSunray, Texas (foto deJohn Vachon, 1942)

Carbono puro tiene muy baja toxicidad para los seres humanos y puede ser manejado e incluso ingerido con seguridad en la forma de grafito o carbón. Es resistente a la disolución o ataque químico, incluso en el contenido ácido del tracto digestivo, por ejemplo. En consecuencia, una vez que entre en los tejidos del cuerpo, es probable que permanecer allí indefinidamente. El negro de carbón fue probablemente uno de los primeros pigmentos que se utilizará para el tatuaje, y Ötzi el Iceman se encontró que tenía tatuajes de carbono que sobrevivieron durante su vida y la de 5200 años después de su muerte. Sin embargo, la inhalación de polvo de carbón u hollín ( negro de humo) en grandes cantidades puede ser peligroso, irritando los tejidos pulmonares y causando el congestiva enfermedad pulmonar neumoconiosis de los mineros del carbón. Del mismo modo, el polvo de diamante utilizado como abrasivo puede hacer daño si se ingiere o se inhala. Las micropartículas de carbono se producen en los gases de escape de motores diesel, y pueden acumularse en los pulmones. En estos ejemplos, los efectos nocivos pueden ser consecuencia de la contaminación de las partículas de carbono, con productos químicos orgánicos o metales pesados, por ejemplo, en lugar de desde el propio carbono.

Carbon generalmente tiene baja toxicidad para casi todos la vida en la Tierra ; sin embargo, para algunas criaturas que todavía puede ser tóxico - por ejemplo, las nanopartículas de carbono son unas toxinas mortales en Drosophila .

El carbono también puede quemar vigorosamente y brillantemente en la presencia de aire a altas temperaturas, como en el fuego Windscale, que fue causado por la liberación repentina de almacenado de energía Wigner en el núcleo de grafito. Las grandes acumulaciones de carbón, que han permanecido inerte durante cientos de millones de años en ausencia de oxígeno, pueden arder espontáneamente cuando se expone al aire, por ejemplo, en vertederos de minas de carbón.

La gran variedad de compuestos de carbono incluyen tales venenos letales como tetrodotoxina, la lectina ricina a partir de semillas de la planta de aceite de ricino Ricinus communis , cianuro (CN ^- ) y monóxido de carbono; y tales elementos esenciales para la vida como la glucosa y proteínas .

Vinculación con el carbono