Moléculas de carbono
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Moléculas de carbono
Por : Alejandro Saldarriaga B.
Carbono
El carbono (del latín: Carbo) es un elemento
químico de número atómico 6 y símbolo C. Co-
mo miembro del grupo de
los carbonoideos de la tabla periódica de los
elementos. Es sólido a temperatura ambiente.
Dependiendo de las condiciones de forma-
ción, puede encontrarse en la naturaleza en
distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y
cristalino en forma
de grafito o diamante respectivamente. Es el
pilar básico de laquímica orgánica; se conocen
cerca de 16 millones de compuestos de car-
bono, aumentando este número en unos
500.000 compuestos por año, y forma parte
de todos los seres vivos conocidos. Forma el
0,2 % de la corteza terrestre.
Características
El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus for-
mas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustan-
cias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde
el punto de vista económico, es de los materiales más baratos
(carbón) y uno de los más caros (diamante). Más aún, presenta
una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos
pequeños, incluyendo otros átomos de carbono con los que pue-
de formar largas cadenas, y su pequeño radio atómico le permite
formar enlaces múltiples. Así, con el oxígeno forma eldióxido de
carbono, vital para el crecimiento de las plantas (ver ciclo del car-
bono); con el hidrógeno forma numerosos compuestos denomi-
nados genéricamente hidrocarburos, esenciales para la industria
y el transporte en la forma de combustibles fósiles; y combinado
con oxígeno e hidrógeno forma gran variedad de compuestos co-
mo, por ejemplo, los ácidos grasos, esenciales para la vida, y
los ésteres que dan sabor a las frutas; además es vector, a través
del ciclo carbono-nitrógeno, de parte de la energía producida por
el Sol
Estados alotrópicos
Se conocen cinco formas alo-
trópicas del carbono, además
del amor-
fo: grafito, diamante, fulleren
os,nanotubos y carbinos.
grafito
El grafito es una de las formas alotrópicas en las
que se puede presentar el carbono junto
al diamante, los fulerenos, los nanotubos y elgra-
feno. A presión atmosférica y temperatura am-
biente es más estable el grafito que el diamante,
sin embargo la descomposición del diamante es
extremadamente tan lenta que sólo es apreciable
a escala geológica.
Estructura del grafito
En el grafito
los átomos de carbono presentan
hibridación sp2, esto significa que
forma tres enlaces covalentes en el
mismo plano a un ángulo de 120º
(estructura hexagonal) y que un
orbital Π perpendicular a ese plano
quede libre (estos orbitales deslo-
calizados son fundamentales para
definir el comportamiento eléctri-
co del grafito). El enlace covalente
entre los átomos de una capa es
extremadamente fuerte, sin em-
bargo las uniones entre las diferen-
tes capas se realizan por fuerzas de
Van der Waals e interacciones en-
tre los orbitales Π, y son mucho
más débiles.
Diamante El diamante tiene características ópticas destacables. Debido a su
estructura cristalina extremadamente rígida, puede ser contami-
nada por pocos tipos de impurezas, como el boro y el nitrógeno.
Combinado con su gran transparencia (correspondiente a una
amplia banda prohibida de 5,5 eV), esto resulta en la apariencia
clara e incolora de la mayoría de diamantes naturales. Pequeñas
cantidades de defectos o impurezas (aproximadamente una parte
por millón) inducen un color de diamante azul (boro), amarillo
(nitrógeno), marrón (defectos cristalinos), verde, violeta, rosado,
negro, naranja o rojo. El diamante también tiene una dispersión
refractiva relativamente alta, esto es, habilidad para dispersar luz
de diferentes colores, lo que resulta en su lustrecaracterístico. Sus
propiedades ópticas y mecánicas excelentes, combinadas con una
mercadotecnia eficiente, hacen que el diamante sea la gema más
popular.
Propiedades materiales
Un diamante es un cristal transparente de átomos de car-
bono enlazados tetraedralmente (sp3) que cristaliza en la red de dia-
mante, que es una variación de la estructura cúbica centrada en la cara.
Los diamantes se han adaptado para muchos usos, debido a las excep-
cionales características físicas. Las más notables son su dureza extrema y
su conductividad térmica (900–2.320 W/(m·K)),8 así como la am-
plia banda prohibida y alta dispersión óptica.9 Sobre los 1.700 °
C (1.973 K / 3.583 °F) en el vacío o en atmósfera libre de oxígeno, el dia-
mante se convierte en grafito; en aire la transformación empieza aproxi-
madamente a 700 °C.10 Los diamantes existentes en la naturaleza tie-
nen una densidad que va desde 3,15–3,53 g/cm3, con diamantes muy
puros generalmente extremadamente cerca a 3,52 g/cm3.11
Dureza
Conductividad eléctrica
Tenacidad
Color
Fullereno
El fullereno (también se escribe fulereno) es la tercera forma
molecular más estable del carbono, tras el grafito y el diamante.
La primera vez que se encontró un fullereno fue en 1985:
Su naturaleza y forma se han hecho ampliamente conocidas en
la ciencia y en la cultura en general, por sus característi-
cas físicas,químicas, matemáticas y estéticas. Se destaca tanto
por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos como
por la armonía de la configuración paradigmática de las molécu-
las con hexágonos y pentágonos: el icosaedro truncado y los
cuerpos geométricos semejantes, con mayor número de caras.
Se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fu-
llerenos esféricos reciben a menudo el nombre
de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytuboso nanotubos.
Reciben su nombre de Buckminster Fuller, que empleó la confi-
guración de hexágonos y pentágonos en domos geodésicos.
Propiedades
Desde su descubrimiento, las propiedades químicas y físicas de
los fulerenos todavía continúan bajo un intenso estudio. Entre
las propiedades físicas más relevantes se encuentra el gap de
energía entre el orbital ocupado de más alta energía (HOMO) y
el orbital desocupado de menor energía (LUMO), cuya medida
es ca. 1.7 eV.4 5 La simetría del estado base del fulereno
C60 corresponde al grupo puntual Ih. En esta simetría los orbita-
les HOMO y LUMO están cinco y tres veces degenerados, hu y
t1u respectivamente. Debido a este
hecho, transiciones electrónicas
desde HOMO a LUMO están prohi-
bidas por simetría. El fulereno
C60 presenta 174 modos normales
de vibración (3N - 6, donde N = 60
átomos de carbono) en la región
del infrarrojo. No obstante, solo
Nanotubo
En química, se denominan nanotubos a estructuras tu-
bulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro.
Existen nanotubos de muchos materiales, tales co-
mo silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el tér-
mino se aplica a los nanotubos de carbono.
Propiedades
Los nanotubos suelen presentar una elevada relación longitud/radio,
ya que el radio suele ser inferior a un par de nanómetros y, sin embar-
go, la longitud puede llegar a ser incluso de 105 nm. Debido a esta ca-
racterística se pueden considerar como unidimensionales.
Propiedades eléctricas
Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran compleji-
dad electrónica, si tenemos en cuenta las reglas cuánticas que rigen
la conductividad eléctrica con el tamaño y la geometría de éstos. Estas
estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista eléctrico, en
un amplio margen de formas, comenzando por el comportamien-
to semiconductor hasta presentar, en algunos ca-
sos,superconductividad.
Propiedades mecánicas
Si las propiedades eléctricas son, de por sí, sorprendentes, las propie-
dades mecánicas pueden llegar a serlo aún más. La estabilidad y robus-
tez de los enlaces entre los átomos de carbono, del tipo sp2, les pro-
porciona la capacidad de ser la fibra más resistente que se puede fabri-
car hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformación muy in-
tensos son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en
un régimen elástico.
Nanotubos
En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diá-
metro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos ma-
teriales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el tér-
mino se aplica a los nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como
el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse
procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí mis-
ma.1 Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se
conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de
distinto diámetro y geometría interna. Estos estan conformados como si
los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el suso-
dicho tubo, se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Exis-
ten, también, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de
tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de muñe-
cas matrioskas y, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a
la periferia. Estos son los nanotubos multicapa. Se conocen derivados en
los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no
están cerrados.
Propiedades de los nanotubos
Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran com-
plejidad electrónica, si tenemos en cuenta las re-
glas cuánticas que rigen la conductividad eléctrica con el ta-
maño y la geometría de éstos. Estas estructuras pueden
comportarse, desde un punto de vista eléctrico, en un am-
plio margen de formas, comenzando por el comportamien-
to semiconductor hasta presentar, en algunos ca-
sos ,superconductividad. Este amplio margen
de conductividades viene dado por relaciones fundamental-
mente geométricas, es decir, en función de
su diámetro, torsión (quiralidad) y el número de capas de
su composición. Así, por ejemplo, existen nanotubos rectos
(armchair y zigzag) en los que las disposiciones hexagona-
les, en las partes extremas del tubo, son siempre paralelas
al eje. Esta distribución, en función del diámetro, permite
que dos tercios de los nanotubos no quirales sean conduc-
tores y el resto semiconductores.
Propiedades mecánicas Si las propiedades eléctricas son, de por sí, sorprenden-
tes, las propiedades mecánicas pueden llegar a serlo aún
más. La estabilidad y robustez de los enlaces entre los
átomos de carbono, del tiposp2, les proporciona la capa-
cidad de ser la fibra más resistente que se puede fabricar
hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos
de deformación muy intensos son capaces de deformarse
notablemente y de mantenerse en un régimen elástico.
El módulo de Young de los nanotubos podría llegar a osci-
lar entre 1,3 y 1,8 terapascales, si bien hasta la fecha sólo
se han podido obtener experimentalmente hasta los
0,8 TPa.4 Además, estas propiedades mecánicas podrían
mejorarse: por ejemplo en los SWNTs (Single Walled Na-
noTubes o Nanotubos de pared simple), uniendo varios
nanotubos en haces o cuerdas. De esta forma, aunque se
rompiese un nanotubo, como se comportan como unida-
des independientes, la fractura no se propagaría a los
otros colindantes.
Propiedades térmicas
Algunos modelos predicen que la conductividad tér-
mica de los nanotubos puede llegar a ser tan alta co-
mo 6.000 W/mK a temperatura ambiente (téngase en
cuenta, por comparar con otra forma alotrópica del
carbono, que el diamante casi puro transmite
3.320 W/mK). Asimismo son enormemente estables
térmicamente, siendo aún estables a 2.800 °C en
el vacío y a 750 °C en el aire (mientras que los alam-
bres metálicos en microchip se funden entre 600 y
1.000 °C). Las propiedades de los nanotubos pueden
modificarse encapsulando metales en su interior, o in-
cluso gases. En este sentido, serían unos extraordina-
rios almacenes de hidrógeno. Como se sabe, uno de
los principales problemas técnicos para el desarrollo
de las pilas de combustible es el almacenaje de este
elemento.