El documento describe las propiedades físicas y químicas del carbono. Resume tres formas del carbono elemental (grafito, diamante y carbono amorfo), explicando sus estructuras cristalinas y propiedades distintivas. También discute los compuestos del carbono, incluyendo su capacidad única para formar un gran número de compuestos orgánicos e inorgánicos debido a su configuración electrónica.

1. Propiedades fisico-químicas

2. Carbono

3. El Carbono
Carbono, de símbolo C, es un elemento crucial para la
existencia de los organismos vivos, y que tiene muchas
aplicaciones industriales importantes. Su número
atómico es 6; y pertenece al grupo 14 (o IV A) del sistema
periódico.

4. Propiedades
 Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la
estructura cristalina del elemento.
 Un gran número de metales se combinan con el elemento a
temperaturas elevadas para formar carburos.
 Con el oxígeno forma tres compuestos gaseosos: monóxido de
carbono, CO, dióxido de carbono, CO2, y subóxido de
carbono, C3O2.
 Los dos primeros son los más importantes desde el punto de
vista industrial.
 El carbono es un elemento único en la química porque forma un
número de compuestos mayor que la suma total de todos los
otros elementos combinados.
 El grupo más grande de estos compuestos es el constituido por
carbono e hidrógeno. Se estima que se conoce un mínimo de
1.000.000 de compuestos orgánicos y este número crece
rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el
carbono forma otra serie de compuestos considerados como
inorgánicos, en un número mucho menor al de los orgánicos.

5. Tipos de Carbono
Las tres formas de carbono elemental existentes en la
naturaleza (grafito, diamante y carbono amorfo) son
sólidos con puntos de fusión extremadamente altos, e
insolubles en todos los disolventes a temperaturas
ordinarias. Las propiedades físicas de las tres formas
difieren considerablemente a causa de las diferencias en
su estructura cristalina.

6. Grafito
Es de color negro con brillo metálico, refractario y se
exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las
capas presenta una conductividad de la electricidad baja
y que aumenta con la temperatura, comportándose pues
como un semiconductor. A lo largo de las capas la
conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a
la temperatura, comportándose como un conductor
semimetálico. A diferencia del diamante, aunque los dos
están formados por carbono, el grafito es muy blando y
el diamante es el mineral más duro según la escala de
Mohs.

7. 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 deslocalizados son fundamentales para definir el
comportamiento eléctrico del grafito). El enlace covalente
entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte, sin
embargo las uniones entre las diferentes capas se realizan por
fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales
Π, y son mucho más débiles.
Se podría decir que el grafito son varias capas de grafeno
montadas. Esta estructura laminar hace que el grafito sea un
material marcadamente anisótropo.
El grafito es un mineral muy parecido al diamante, se conoce
un proceso por el cual el grafito puede convertirse en
diamante, pero es muy costoso así que las empresas no han
tomado esta oportunidad como favorable.

9. Diamante
Es un alótropo del carbono donde los átomos de
carbono están dispuestos en una variante de la
estructura cristalina cúbica centrada en la cara
denominada «red de diamante». El diamante es la
segunda forma más estable de carbono, después del
grafito; sin embargo, la tasa de conversión de diamante a
grafito es despreciable a condiciones ambientales. El
diamante tiene renombre específicamente como un
material con características físicas superlativas, muchas
de las cuales derivan del fuerte enlace covalente entre sus
átomos. En particular, el diamante tiene la más alta
dureza y conductividad térmica de todos los materiales
conocidos por el hombre.

10. El diamante tiene características ópticas destacables.
Debido a su estructura cristalina extremadamente
rígida, puede ser contaminada 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

11. Carbono Amorfo
Es el carbono que no tiene una
estructura cristalina. Como con todos
los materiales vítreos, puede
presentarse algún orden de corto
alcance, pero no hay patrones de largo
alcance de las posiciones atómicas.
Aunque puede fabricarse carbono
completamente amorfo, el carbono
amorfo natural (como el hollín)
realmente contiene cristales
microscópicos de grafito,1 algunas
veces diamante. A escala
macroscópica, el carbono amorfo no
tiene una estructura definida, puesto
que consiste en pequeños cristales
irregulares, pero a escala
nanomicroscópica, puede verse que
está hecho de átomos de carbono
colocados regularmente

12. Aplicaciones científicas
 El isótopo del carbono más común es el carbono 12; en 1961 se eligió
este isótopo para sustituir al isótopo oxígeno 16 como medida patrón
para las masas atómicas, y se le asignó la masa atómica 12.
 Los isótopos carbono 13 y carbono 14 se usan como trazadores
(consultar Trazador isotópico) en la investigación bioquímica. El
carbono 14 se utiliza también en la técnica llamada método del carbono
14, que permite estimar la edad de los fósiles y otras materias
orgánicas. Este isótopo es producido continuamente en la atmósfera
por los rayos cósmicos, y se incorpora a toda la materia viva.
 Como el carbono 14 se desintegra con un periodo de
semidesintegración de 5.760 años, la proporción entre el carbono 14 y el
carbono 12 en un espécimen dado, proporciona una medida de su edad
aproximada.

13. Configuración electrónica
 El átomo de carbono constituye el elemento esencial de toda la
química orgánica, y debido a que las propiedades químicas de
elementos y compuestos son consecuencia de las características
electrónicas de sus átomos y de sus moléculas, es necesario
considerar la configuración electrónica del átomo de carbono
para poder comprender su singular comportamiento químico.
 Se trata del elemento de número atómico Z = 6. Por tal motivo su
configuración electrónica en el estado fundamental o no
excitado es 1s2 2s2 2p2. La existencia de cuatro electrones en la
última capa sugiere la posibilidad bien de ganar otros cuatro
convirtiéndose en el ion C4- cuya configuración electrónica
coincide con la del gas noble Ne, bien de perderlos pasando a ion
C4+ de configuración electrónica idéntica a la del He.
 En realidad una pérdida o ganancia de un número tan elevado de
electrones indica una dosis de energía elevada, y el átomo de
carbono opta por compartir sus cuatro electrones externos con
otros átomos mediante enlaces covalentes. Esa cuádruple
posibilidad de enlace que presenta el átomo de carbono se
denomina tetravalencia.

14. La química de compuestos del
carbono
 El átomo de carbono, debido a su configuración electrónica, presenta una
importante capacidad de combinación. Los átomos de carbono pueden unirse
entre sí formando estructuras complejas y enlazarse a átomos o grupos de
átomos que confieren a las moléculas resultantes propiedades específicas. La
enorme diversidad en los compuestos del carbono hace de su estudio químico
una importante área del conocimiento puro y aplicado de la ciencia actual.
 Durante mucho tiempo la materia constitutiva de los seres vivos estuvo
rodeada de no pocas incógnitas. Frente a la materia mineral presentaba, entre
otras, una característica singular, su capacidad de combustión. Parecía como si
los únicos productos capaces de arder hubieran de proceder de la materia
viviente.
 En los albores de la química como ciencia se advirtió, además, que si bien la
materia procedente de organismos vivos podía degradarse en materia mineral
por combustión u otros procesos químicos, no era posible de ninguna manera
llevar a cabo en el laboratorio el proceso inverso.
 Argumentos de este estilo llevaron a Berzelius, a comienzos del siglo XIX, a
sugerir la existencia de dos tipos de materia en la naturaleza, la materia
orgánica o materia propia de los seres vivos, y la materia inorgánica.

15.  Para justificar las diferencias entre ambas se admitió que la
materia orgánica poseía una composición especial y que su
formación era debida a la intervención de una influencia singular
o «fuerza vital» exclusiva de los seres vivos y cuya manipulación
no era posible en el laboratorio.
 La crisis de este planteamiento, denominado vitalismo, llevó
consigo el rápido desarrollo de la química de la materia orgánica
en los laboratorios, al margen de esa supuesta «fuerza vital».
 En la actualidad, superada ya la vieja clasificación de
Berzelius, se denomina química orgánica a la química de los
derivados del carbono e incluye el estudio de los compuestos en
los que dicho elemento constituye una parte esencial, aunque
muchos de ellos no tengan relación alguna con la materia
viviente.

16. Nombre
Número atómico
Valencia
Carbono
6
2,+4,-4
Estado de oxidación
+4
Electronegatividad
2,5
Radio covalente (Å)
0,77
Radio iónico (Å)
0,15
Radio atómico (Å)
Configuración electrónica
Primer potencial de ionización (eV)
Masa atómica (g/mol)
0,914
1s22s22p2
11,34
12,01115
Densidad (g/ml)
2,26
Punto de ebullición (ºC)
4830
Punto de fusión (ºC)
3727
Descubridor
Los antiguos

17. Hidrógeno

18. El Hidrógeno
El hidrógeno es un elemento peculiar, el único que no
pertenece a ninguno de los grupos de la tabla
periódica, siendo representado unas veces con los
metales alcalinos, otras veces con los halógenos, o
simplemente aislado de todos ellos, aunque
quizás, debido a su electronegatividad característica, la
cual es mayor que las de los metales alcalinos, y menor
que la de los halógenos, lo mejor sería colocarlo a mitad
de camino entre ambos grupos.

19. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es
uno de los constituyentes principales del agua y de toda
la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia
no sólo en la Tierra sino en todo el universo. Existen 3
isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se
encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el
deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza
aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que
aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero
que puede producirse artificialmente por medio de
varias reacciones nucleares.

20. Usos
El empleo más importante del hidrógeno es en la
síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está
aumentando con rapidez en las operaciones de
refinación del petróleo, como el rompimiento por
hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con
hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes
cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica
de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener
grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la
manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes
cantidades de hidrógeno se emplean como combustible
de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como
un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.

21. Propiedades
 El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una
densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del
aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que
se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que
en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno
en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para
procesos químicos. A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia
poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por
ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy
reactivo.
 El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar agua y esta reacción es
extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un
catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia
explosiva. Con nitrógeno, el hidrógeno experimenta una importante reacción
para dar amoniaco. El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto
número de metales y produce hidruros. Los óxidos de muchos metales son
reducidos por el hidrógeno a temperaturas elevadas para obtener el metal libre
o un óxido más bajo. El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las
sales de los metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico.
En presencia de un catalizador adecuado, el hidrógeno reacciona con
compuestos orgánicos no saturados adicionándose al enlace doble.

22. Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a
temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un
agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con
los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el
cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales
libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los
nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio. Reacciona con cierto
número de elementos, tanto metales como no metales, para producir
hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3. El hidrógeno atómico produce
peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno. Con compuestos orgánicos, el
hidrógeno atómico reacciona para generar una mezcla compleja de
productos; con etileno, C2H4, por ejemplo, los productos son
etano, C2H6, y butano, C4H10. El calor que se libera cuando los átomos de
hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de hidrógeno se
aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura de
hidrógeno atómico.

23. Compuestos Principales
El hidrógeno es constituyente de un número muy grande
de compuestos que contienen uno o más de otros
elementos. Esos compuestos incluyen el agua, los
ácidos, las bases, la mayor parte de los compuestos
orgánicos y muchos minerales. Los compuestos en los
cuales el hidrógeno se combina sólo con otro elemento
se denominan generalmente hidruros.

24. Preparación
Se pueden aplicar muy diversos métodos para preparar
hidrógeno gaseoso. La elección del método depende de
factores como la cantidad de hidrógeno deseada, la
pureza requerida y la disponibilidad y costo de la materia
prima. Entre los procesos que más se emplean están las
reacciones de metales con agua o con ácidos, la
electrólisis del agua, la reacción de vapor con
hidrocarburos u otros materiales orgánicos, y la
descomposición térmica de hidrocarburos. La principal
materia prima para la producción de hidrógeno son los
hidrocarburos, como el gas natural, gas de aceite
refinado, gasolina, aceite combustible y petróleo crudo.

25. Nombre
Hidrógeno
Número atómico
1
Valencia
1
Estado de oxidación
+1
Electronegatividad
2,1
Radio covalente (Å)
0,37
Radio iónico (Å)
2,08
Radio atómico (Å)
Configuración electrónica
Primer potencial de ionización (eV)
Masa atómica (g/mol)
Densidad (g/ml)
1s1
13,65
1,00797
0,071
Punto de ebullición (ºC)
-252,7
Punto de fusión (ºC)
-259,2
Descubridor
Boyle en 1671