Propiedades del carbono: Una visión global

En el mundo de los elementos, el carbono es único y deslumbrante. Desde las moléculas orgánicas, base de la vida, hasta los materiales clave para la industria, está en todas partes. Explorar las propiedades del carbono nos permite comprender la intersección entre naturaleza y tecnología, la composición de la materia y las reacciones químicas.

Propiedades físicas del carbono

Panorama de los alótropos

El carbono puede formar diversos alótropos, como el diamante, el grafito, etc. Aunque están compuestos por átomos de carbono, la disposición atómica y los modos de conexión son diferentes. Las propiedades físicas y químicas son significativamente diferentes, y el valor de la investigación de aplicaciones es alto en materiales, electrónica y otros campos.

Características del diamante

El diamante es la sustancia más dura de la naturaleza, con una dureza Mohs de 10. Sus átomos tienen una estructura tetraédrica. Sus átomos son de estructura tetraédrica, fuerte fuerza de enlace atómico, resistencia al desgaste y resistencia a la presión, utilizado para la perforación de corte. Es incoloro y transparente, refractivo fuerte, es una gema. Alta conductividad térmica, se puede utilizar para la disipación de calor electrónico, pero apenas conductor.

Propiedades del grafito

La textura del grafito es suave y lisa. Procede de la estructura en capas y es fácil deslizarse entre ellas. A menudo se puede utilizar el grafito como lubricante a alta temperatura y alta presión. Tiene buena conductividad eléctrica, electrones libres en la capa. Y se puede utilizar el grafito en la batería de iones de litio ánodo materiales y motor cepillos para garantizar la carga y descarga y la transmisión de corriente.

Otras características de los alótropos

Los fullerenos como el C60 son enjaulados, ópticamente activos, pueden formar complejos con iones metálicos y tienen potencial en dispositivos optoelectrónicos y catálisis. Los nanotubos de carbono tienen un diámetro nanométrico, gran resistencia y buena conductividad eléctrica y térmica. Se pueden utilizar en el campo de la nanoelectrónica y los materiales compuestos. El grafeno es un material bidimensional de una sola capa con excelentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Y tiene amplias perspectivas en los dispositivos electrónicos flexibles.

Resumen de las propiedades físicas generales

Apariencia

El diamante es incoloro y transparente, brillante tras el pulido, y es un material gema. Grafito gris oscuro con brillo metálico, escamoso, tacto suave. Los fullerenos son polvo negro o marrón, los nanotubos de carbono son tubos negros extremadamente finos. Y el grafeno es una lámina bidimensional casi transparente con una característica textura arrugada.

Densidad

Diamante: 3,5-3,53 g/cm3, átomos muy apretados; grafito: 2,09-2,23 g/cm3, hay un espacio entre las capas. Los fullerenos rondan los 1,65g/cm3, los nanotubos de carbono los 1,3-1,4g/cm3 y el grafeno los 2,267g/cm3, con densidades que varían en función de la disposición atómica y la estructura.

Punto de fusión

El punto de fusión del diamante supera los 3500°C, y los átomos forman tetraedros regulares con enlaces covalentes, y la estructura es sólida. El punto de fusión del grafito es de unos 3652-3697°C, y el enlace covalente de la capa es estable. El alto punto de fusión hace que el carbono sea estable en entornos de alta temperatura y se utiliza en campos industriales de alta temperatura.

Punto de ebullición

El punto de ebullición del diamante y del grafito es de unos 4827°C, en condiciones normales. El carbono es difícil de cambiar de sólido a gas, temperatura extremadamente alta para cambiar el estado. En el entorno industrial y la vida, las propiedades físicas y químicas de carbono son estables, no es fácil de volatilizar descomposición.

Solubilidad

El carbono es insoluble en agua, disolventes orgánicos comunes y soluciones ácidas y alcalinas. Debido a su estructura atómica estable y a su fuerte fuerza interatómica, es difícil que la molécula del disolvente rompa la estructura elemental del carbono y su acción. Y la solubilidad es extremadamente baja en la mayoría de los disolventes.

Conductividad

La estructura de capas del grafito tiene electrones libres, conduce bien la electricidad y se puede utilizar para electrodos. Los electrones del diamante están ligados a enlaces covalentes y apenas conducen la electricidad. Los fullerenos y los nanotubos de carbono tienen cierta conductividad eléctrica, el grafeno tiene una gran movilidad de electrones, una excelente conductividad eléctrica y un gran potencial en el campo electrónico.

Propiedades químicas del carbono

Estabilidad

A temperatura ambiente, las propiedades químicas de la carbonización son estables. Los cuatro electrones de la capa más externa de su átomo no son fáciles de ganar o perder electrones. Requieren mucha energía para romper la estructura estable y participar en reacciones químicas. Por eso, las reliquias culturales, pinturas y cuadros que contienen carbono pueden conservarse durante mucho tiempo.

Inflamabilidad

Es inflamable y arde completamente para producir dióxido de carbono cuando el oxígeno es suficiente, liberando mucha energía calorífica. El monóxido de carbono se produce a partir de una combustión incompleta cuando el oxígeno es insuficiente, y la reacción de combustión es una forma importante de obtener energía.

Reducibilidad

Es muy reducible a altas temperaturas. Puede reaccionar con los óxidos metálicos, capturar el oxígeno de los óxidos y reducir el metal. Puede utilizarse ampliamente en la extracción de metales en la industria metalúrgica y desempeña un papel clave.

Reacciones con otras sustancias

Reacciona con diversas sustancias en determinadas condiciones. A altas temperaturas, reacciona con el azufre para producir disulfuro de carbono, reacciona con el vapor de agua para producir monóxido de carbono e hidrógeno. Y sus productos tienen importantes aplicaciones en los campos de la química y los combustibles.

Cuadrivalencia

Los cuatro electrones más externos de un átomo de carbono cuaternario se encuentran en estado cuaternario. Puede formar 4 enlaces covalentes con una gran variedad de átomos para construir compuestos complejos y diversos, desde la simple materia orgánica hasta las macromoléculas biológicas. Es la base del mundo orgánico y de la materia viva, y tiene una gran importancia.

Encadenamiento

Sus átomos pueden unirse en cadenas mediante enlaces covalentes, es decir, encadenarse. Puede formar una cadena recta, una cadena ramificada o una estructura anular; la longitud y la estructura de la cadena afectan a las propiedades de los compuestos. Es la base de la formación de muchos compuestos orgánicos, sustentando el enorme sistema de la química orgánica.

Estructura electrónica

La configuración electrónica de un átomo de carbono es 1s22s22p2. Esta estructura determina su comportamiento químico, y los cuatro electrones más externos facilitan que comparta electrones con otros átomos para formar enlaces. Pero también para ganar y perder electrones en determinadas condiciones, y participar en diversas reacciones químicas.

Electronegatividad

Tiene una electronegatividad de aproximadamente 2,55 (en la escala de Pauling), entre metales y no metales. En un compuesto, al enlazarse con diferentes elementos, el enlace químico tiene diferente polaridad debido a la diferencia de electronegatividad. Esto afecta a la actividad química y a las propiedades físicas del compuesto.

Conexión entre propiedad y aplicación

Aplicaciones determinadas por las propiedades físicas

Sus propiedades físicas son diversas, lo que lo hace rico en aplicaciones. La dureza del diamante se denomina la corona de la naturaleza, y presenta importantes ventajas en el campo del corte y el rectificado. Por ejemplo, para cortar vidrio y procesar carburo cementado. El grafito tiene una buena conductividad eléctrica y se puede utilizar ampliamente en electrodos de baterías para garantizar el ciclo de carga y descarga. El grafeno tiene una excelente conductividad eléctrica y una flexibilidad ultraelevada, por lo que es un material ideal para pantallas de visualización flexibles y dispositivos electrónicos portátiles. La gran resistencia de los nanotubos de carbono puede mejorar el rendimiento de los materiales compuestos. Y se puede utilizar en campos como el aeroespacial, donde la resistencia de los materiales es exigente.

Aplicaciones determinadas por las propiedades químicas

Sus propiedades químicas dominan su aplicación en una serie de ámbitos clave. La inflamabilidad hace que el carbón y el gas natural se conviertan en importantes fuentes de energía. Su combustión libera gran cantidad de energía calorífica para satisfacer las necesidades energéticas de la producción industrial y la vida cotidiana. La reducibilidad hace que desempeñe un papel clave en la industria metalúrgica, reduciendo los metales a partir de sus óxidos. La tetravalencia y la capacidad de encadenamiento de átomos de carbono son la base para la construcción de compuestos orgánicos. Y la síntesis de fármacos, plásticos, caucho, etc., dependen de ello, proporcionando una rica variedad de productos para la sociedad moderna.

Conclusión

El carbono desempeña un papel importante en la naturaleza y en la sociedad humana gracias a sus propiedades únicas. Sus propiedades alotrópicas determinan una amplia gama de aplicaciones, y sus propiedades químicas sustentan la vida y la industria. En el futuro, su investigación profundizará y seguirá ayudando a resolver problemas como el de la energía.