CARBONO (C)

HISTORIA

Descubridor: Desconocido.Lugar de descubrimiento: Desconocido. Año de descubrimiento: Antigüedad (prehistoria).Origen del nombre: De la palabra latina "carbo", que significaba "carbón", donde el carbono es elemento mayoritario.Obtención: El carbono en carbón, hulla y carbono amorfo, ha sido utilizado desde tiempos prehistóricos.

Los últimos alótropos conocidos, los fullerenos (C60), fueron descubiertos como subproducto en experimentos realizados con gases moleculares en la década de los 80.

Newton, en 1704, intuyó que el diamante podía ser combustible, pero no se consiguió quemar un diamante hasta 1772 en que Lavoisier demostró que en la reacción de combustión se producía CO2. Tennant demostró que el diamante era carbono puro en 1797. El isótopo más común del carbono es el 12C; en 1961 este isótopo se eligió para reemplazar al isótopo oxígeno-16 como base de los pesos atómicos, y se le asignó un peso atómico de 12.

Los primeros compuestos de carbono se identificaron en la materia viva a principios del siglo XIX, y por ello el estudio de los compuestos de carbono se llamó química orgánica.

ESTADO NATURAL

El carbono es un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza, aunque sólo constituye un 0,025% de la corteza terrestre, donde existe principalmente en forma de carbonatos. El dióxido de carbono es un componente importante de la atmósfera y la principal fuente de carbono que se incorpora a la materia viva. Por medio de la fotosíntesis, los vegetales convierten el dióxido de carbono en compuestos orgánicos de carbono, que posteriormente son consumidos por otros organismos.

El carbono amorfo se encuentra con distintos grados de pureza en el carbón de leña, el carbón, el coque, el negro de carbono y el negro de humo.

Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono, grafito, diamante, fullerenos, nanotubos y carbinos. El 22 de marzo de 2004 se anunció el descubrimiento de una sexta forma alotrópica: las nanoespumas.

La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscópica. Esta es la forma presente en la mayoría de los carbones y en el hollín.

A presión normal, el carbono adopta la forma del grafito, en la que cada átomo está unido a otros tres en un plano compuesto de celdas hexagonales; este estado se puede describir como 3 electrones de valencia en orbitales híbridos planos sp2 y el cuarto en el orbital p.

Las dos formas de grafito conocidas alfa (hexagonal) y beta (romboédrica) tienen propiedades

físicas idénticas. Los grafitos naturales contienen más del 30% de la forma beta, mientras que el grafito sintético contiene únicamente la forma alfa. La forma alfa puede transformarse en beta mediante procedimientos mecánicos, y ésta recristalizar en forma alfa al calentarse por encima de 1000 °C.

Debido a la deslocalización de los electrones del orbital pi, el grafito es conductor de la electricidad, propiedad que permite su uso en procesos de electroerosión. El material es blando y las diferentes capas, a menudo separadas por átomos intercalados, se encuentran unidas por enlaces de Van de Waals, siendo relativamente fácil que unas deslicen respecto de otras, lo que le da utilidad como lubricante.

A muy altas presiones, el carbono adopta la forma del diamante, en el cual cada átomo está unido a otros cuatro átomos de carbono, encontrándose los 4 electrones en orbitales sp3, como en los hidrocarburos. El diamante presenta la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio y, gracias a la resistencia del enlace químico carbono-carbono, es, junto con el nitruro de boro, la sustancia más dura conocida. La transición a grafito a

temperatura ambiente es tan lenta que es indetectable. Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleíta, una forma similar al diamante pero hexagonal.

El orbital híbrido sp1 que forma enlaces covalentes sólo es de interés en química, manifestándose en algunos compuestos, como por ejemplo el acetileno.

Los fullerenos tienen una estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos), lo que curva los planos y permite la aparición de estructuras de forma esférica, elipsoidal o cilíndrica. El constituido por 60 átomos de carbono, que presenta una estructura tridimensional y geometría similar a un balón de fútbol, es especialmente estable. Los fullerenos en general, y los derivados del C60 en particular, son objeto de intensa investigación

en química desde su descubrimiento a mediados de los 1980.

A esta familia pertenecen también los nanotubos de carbono, que pueden describirse como capas de grafito enrolladas en forma cilíndrica y rematada en sus extremos por hemiesferas (fullerenos), y que constituyen uno de los primeros productos industriales de la nanotecnología.

La nanoespuma de carbono (carbon nanofoam), compuesta por una red de nanotubos de carbono de forma esponjosa. Se descubrieron accidentalmente tratando de sintetizar nanotubos y fullerenos. Estos materiales se obtuvieron por primera vez disparando un láser de alta potencia sobre carbón vítreo en una cámara de argón, lo que produce temperaturas del orden de los 10.000 ºC que evaporan los átomos de carbono. Estos átomos se recombinan en una forma alotrópica intermedia entre el

grafito (C sp2) y el diamante (C sp3), para dar lugar a estas espumas. La nanoespuma de carbono está considerada como una nueva forma alotrópica del carbono. A escala atómica cada unidad posee unos 6 nm de anchura y presenta aproximadamente unos 4.000 átomos de carbono que se combinan en hexágonos y heptágonos dando lugar, al contrario de los fullerenos, a una curvatura inversa. Estas estructuras presentan un electrón desapareado. 

Cuando se combinan atamos de carbonos con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo está unido por un enlace triple y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo. Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica de carbono poco común: los carbinos, los cuales pueden presentar una estructura lineal o cíclica.

PROPIEDADES

general Nombre: CarbonoSímbolo: CNúmero: 6 Serie Química: No metal Grupo: 14Período: 2 Bloque: p Masa Atómica: 12.0107 (8) u Configuración Electrónica: [He] 2s22p2 Dureza Mohs: 1-2 (grafito), 10 (diamante) Electrones Por Nivel: 2, 4

Propiedades atómicas Radio Medio: 70 pm Electronegatividad: 2.55 (Pauling) Radio Atómico: (calc) 67 pm (Radio de Bohr) Radio Covalente: 77 pm Radio De Van Der Waals: 170 pm Números De Oxidación: 4, 2 Óxido: Ácido débil 1. ª Energía de ionización: 1086.5 kJ/mol 2. ª Energía de ionización: 2352.6 kJ/mol 3. ª Energía de ionización: 4620.5 kJ/mol 4. ª Energía de ionización: 6222.7 kJ/mol 5. ª Energía de ionización: 37 831.1 kJ/mol 6. ª Energía de ionización: 47 277.1 kJ/mol

Propiedades físicas Estado Ordinario: Sólido (no magnético) Densidad: 2267 kg/m3 Punto De Fusión: Diamante= 3823 K, Grafito= 3800 K

Punto De Ebullición Grafito: 5100 K Entalpía De Vaporización Grafito; Sublima: 711 kJ/mol Entalpía De Fusión Grafito; Sublima: 105 kJ/mol

Varios Estructura Cristalina: hexagonal N° CAS: 7440-44-0 N° EINECS: 231-153-3Calor Específico: 710 J/ (K·kg) Conductividad Eléctrica: 61×103 S/m Conductividad Térmica: 129 W/ (K·m) Velocidad Del Sonido Diamante: 18.350 m/s a 293.15 K (20 °C)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN

El carbono se encuentra - frecuentemente muy puro - en la naturaleza, en estado elemental, en las formas alotrópicas diamante y grafito. El material natural más rico en carbono es el carbón (del cual existen algunas variedades).

Grafito : Se encuentra en algunos yacimientos naturales muy puro. Se obtiene artificialmente por descomposición del carburo de silicio en un horno eléctrico.

Diamante : Existen en la naturaleza, en el seno de rocas eruptivas y en el fondo del mar. En la industria se obtiene tratando grafito a 3000 K de temperatura y a una presión entre 125 - 150 katm. Por ser la velocidad de transformación de grafito en diamante muy lenta, se utilizan metales de transición, en trazas, como catalizadores (hierro, níquel, platino).

Carbón de coque : muy rico en carbono, es el producto residual en la destilación de la hulla.

Carbono amorfo : Negro de humo y carbón activo: Son formas del carbono finamente divididas. El primero se prepara por combustión incompleta de sustancias orgánicas; la llama deposita sobre superficies metálicas, frías, partículas muy finas de carbón. El carbón activo se obtiene por descomposición térmica de sustancias orgánicas.

Fullerenos : Estas sustancias se encuentran en el humo de los fuegos y en las estrellas gigantes rojas. Se obtienen, artificialmente, haciendo saltar un arco entre dos electrodos de grafito o sublimando grafito por acción de un láser.

PRINCIPALES COMPUESTOS

El más importante óxido de carbono es el dióxido de carbono (CO2), un componente minoritario de la atmósfera terrestre (del orden del 0,04% en peso) producido y usado por los seres vivos. En el agua forma trazas de ácido carbónico (H2CO3) pero, al igual que otros compuestos similares, es inestable, aunque a través de él pueden producirse iones carbonato estables por resonancia. Algunos minerales importantes, como la calcita, son carbonatos.

Los otros óxidos son el monóxido de carbono (CO) y el más raro subóxido de carbono (C3O2). El monóxido se forma durante la combustión incompleta de materias orgánicas y es incoloro e inodoro. Dado que la molécula de CO contiene un enlace triple, es muy polar, por lo que manifiesta una acusada tendencia a unirse a la hemoglobina, formando un nuevo compuesto muy peligroso denominado Carboxihemoglobina, impidiéndoselo al oxígeno, por lo que se dice que es un asfixiante de sustitución. El ion cianuro (CN−), tiene una estructura similar y se comporta como los iones haluro.

Con metales, el carbono forma tanto carburos como acetiluros, ambos muy ácidos. A pesar de tener una electronegatividad alta, el carbono puede formar carburos covalentes como es el caso de carburo de silicio (SiC) cuyas propiedades se asemejan a las del diamante.

IMPORTANCIA ECONÓMICA

De todos los combustibles fósiles, el carbón es por mucho el más abundante en el mundo.

El carbón como fuente energética satisface mercados muy diversos: generación eléctrica, fabricación de acero, fabricación de cemento, y variados procesos industriales de calentamiento. En los países en desarrollo, su uso doméstico para calefacción y cocción es también significativo. No obstante, el principal uso del carbón lo constituye la generación de energía eléctrica. Actualmente, más de la mitad de la producción mundial de carbón suministra el 37% de la electricidad mundial.

El carbón es también indispensable para la producción de hierro y acero; casi el 70% de la producción de acero proviene de hierro hecho en altos hornos, los cuales utilizan carbón y coque. Por su parte, la mayoría de las plantas de cemento del mundo son alimentadas con carbón.

El diamante, además de su conocido empleo en joyería, se usa para fabricar herramientas de corte y taladros. El grafito se utiliza para fabricar minas de lápices, para obtener fibras de carbono de gran ligereza, resistencia y elasticidad utilizadas en la elaboración de piezas de alta tecnología para la industria, el deporte, etc. También se utiliza en la elaboración de algunos tipos de pinturas.

La acción de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno atmosférico produce el isótopo radiactivo 14C, emisor de partículas beta con un período de semidesintegración de 5.730 años. Este isótopo se usa como datador para determinar la antigüedad de algunos objetos. La técnica se basa en comparar la cantidad de 14C presente en una muestra con la presencia media actual de este isótopo.

La utilización a gran escala como combustible, debido a la producción de monóxido y dióxido de carbono, constituye un grave problema de contaminación acentuando lo que conocemos como efecto invernadero.

En las plantas nucleares se utiliza como moderador de neutrones.

PLOMO (Pb)

Descubridor: Desconocido.Lugar de descubrimiento: Desconocido.Año de descubrimiento: Conocido desde la antigüedad.

Origen del nombre: Procede del latín "plumbum"; los romanos utilizaban este nombre precisamente para designar al elemento plomo. Lo llamaban "plumbum nigrum" para distinguirlo del estaño, al que llamaban "plumbum candidum".Obtención: Mencionado en el Éxodo; los romanos lo utilizaban en grandes cantidades para la conducción de agua. Los alquimistas creían que el plomo era el metal más antiguo y lo asociaban con el planeta Saturno. Los alquimistas gastaron

Se encuentra dentro de los metales más conocidos desde la antigüedad, incluso fue utilizado por los egipcios y babilónicos. Fue también ampliamente usado por los romanos, muestra de ello es la fabricación de adornos decorativos, canales de agua, bañeras y vasijas que han sobrevivido el paso de los años.

Debido a su facilidad de uso (maleabilidad y ductilidad) en la edad media los castillos e iglesias de Europa fueron decorados con adornos, ventanales y figuras trabajadas en plomo. Este tipo de aplicaciones se mantuvieron en el tiempo, encontrándose que a comienzos del siglo XX el plomo era usado en EEUU para fabricar cerámicas, pinturas, cañerías y también municiones.

No obstante, con el desarrollo de nuevas tecnologías, este metal ha incursionado en el sector automotriz, medicina, entre otros.

ESTADO NATURAL

Se encuentra ampliamente distribuido por todo el planeta en forma de galena, que es sulfuro de plomo. Ocupa el lugar 36 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. La cerusita y la anglesita son sus menas más importantes después de la galena. La extracción del plomo de la galena se lleva a cabo por calcinación de la mena, convirtiéndola en óxido y reduciendo el óxido con coque en altos hornos.

PROPIEDADES

General Nombre: PlomoSímbolo: Pb

Número: 82Serie Química: Metales del bloque p Grupo: 14Periodo: 6Bloque: p Densidad: 11340 kg/m3,Dureza Mohs: 1.5 Apariencia: gris azulado

Propiedades atómicas Masa atómica: 207.2 u Radio medio: 180 pm Radio atómico calculado: 154 pm Radio Covalente: 147 pm Radio De Van Der Waals: 202 pm Configuración Electrónica: [Xe]4f14 5d10 6s2 6p2 Números De Oxidación: (Óxido) 4, 2 (anfótero) Estructura Cristalina: Cúbica centrada en las caras (fcc)

Propiedades físicas Estado De La Materia: Sólido Punto De Fusión: 600.61 K Punto De Ebullición: 2022 K Entalpía De Vaporización: 177.7 kJ/mol Entalpía De Fusión: 4.799 kJ/mol Presión De Vapor: 4.21 × 10-7 Pa a 600 K Velocidad Del Sonido: 1260 m/s a 293.15 K

VariadaElectronegatividad: 2.33 (Pauling) Calor Específico: 129 J/ (kg·K) Conductividad Eléctrica: 4.81 × 106 m-1·Ω-1 Conductividad Térmica: 35.3 W/ (m·K) 1er Potencial De Ionización: 715.6 kJ/mol 2° Potencial De Ionización: 1450.5 kJ/mol 3er Potencial De Ionización: 3081.5 kJ/mol 4° Potencial De Ionización: 4083 kJ/mol 5° Potencial De Ionización: 6640 kJ/mol

MÉTODOS DE OBTENCIÓN

El plomo se obtiene a partir de los sulfuros minerales; por varios procedimientos, por tostación y reducción, tostación y reacción, cementación y rodadura. La obtención por

tostación y reducción consiste en someter la galena a tostación obteniéndose óxido de plomo (III) el cual se reduce con carbón de coque a plomo metal impuro (plomo de obra).

El plomo, obtenido por los procedimientos anteriores, es sometido a un proceso de purificación, y se conoce como afino de plomo, el cual consiste en separarlo de las impurezas que los acompañan.

Otra fuente importante de obtención son los materiales de desecho industriales, que se recuperan y funden. Debido a que la galena contiene normalmente otros metales, el plomo en bruto obtenido por procesos de fundición suele tener impurezas como cobre, cinc, plata y oro. La recuperación de metales preciosos de las menas de plomo es a menudo tan importante como la extracción del plomo en sí. El plomo en bruto suele purificarse removiendo plomo fundido en presencia de aire. Los óxidos de las impurezas metálicas suben a la superficie y se eliminan. El plomo más puro se obtiene refinando electrolíticamente.

PRINCIPALES COMPUESTOS

o El carbonato de plomo básico , (PbCO3)2·Pb(OH)2, llamado blanco de plomo o albayalde, ha sido utilizado como pigmento blanco desde hace 2.000 años. También se utiliza en otros pigmentos y barnices para cerámica. Últimamente, a causa del peligro de envenenamiento, la pintura a base de plomo ha dejado de usarse en espacios interiores. El llamado proceso holandés es el método en uso más antiguo para obtener blanco de plomo. En este proceso, se recubren ollas de barro, conteniendo rejillas de plomo y ácido etanoico, con cascas (pequeños trozos de cortezas ricas en taninos); la reacción de las cascas al fermentar y del ácido etanoico produce plomo al cabo de un periodo de unos 90 días. Hoy existen procesos industriales más rápidos, como la electrólisis o la introducción de aire y dióxido de carbono en grandes cilindros rotatorios llenos de plomo en polvo y ácido etanoico.

o El monóxido de plomo (PbO), o litargirio, un polvo cristalino amarillo formado al calentar plomo en presencia de aire, se usa para hacer cristal de roca, como desecante de aceites y barnices, y para elaborar insecticidas. El plomo rojo (Pb3 O4), o minio, un polvo cristalino escarlata formado por oxidación del monóxido de plomo, se utiliza como capa protectora en estructuras de hierro y acero.

o El cromato de plomo (PbCrO4), o amarillo de plomo, un polvo cristalino empleado como pigmento amarillo, se prepara por reacción del acetato de plomo con dicromato de potasio. El cromo rojo, el cromo amarillo naranja y el cromo amarillo limón son algunos de los pigmentos obtenidos del cromato de plomo. El etanoato de plomo (II), Pb(C2H3O2)2·3H2O, una sustancia cristalina blanca, llamada azúcar de plomo por su sabor dulce, se prepara comercialmente disolviendo litargirio en ácido etanoico. Se emplea como agente cáustico en tintes, como desecante de pinturas y barnices, y para elaborar otros compuestos de plomo. El tetraetilplomo, Pb(C2H5)4, es el principal ingrediente del antidetonante que se añade a la gasolina para evitar detonaciones prematuras en los motores de combustión interna, y está considerado un agente contaminante del aire.

IMPORTANCIA ECONÓMICA

Prácticamente la mitad de la producción de plomo se destina a la fabricación de baterías. En algunos usos como aditivo para la gasolina y pigmento para tintas y pinturas está siendo reemplazado por su carácter venenoso y contaminante. En otros como tuberías, tipos de imprenta y recubrimientos de cables está siendo sustituido por otros materiales de mejores cualidades.

No obstante se utiliza profusamente en revestimientos y enseres contra las radiaciones, para soldadura (aleado con Sn), en la insonorización de edificios, en la fabricación de perdigones (aleado con As), etc.