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.