Formas Alotrópicas del Carbono: Grafito, Diamante y Fulereno.

Ficha de Trabajo N° 1
CARBONO: Formas Aleotrópicas y Amorfas
1° B.D. Química
Prof. Javier Ponce
Alotrópico: Alotropía (del griego allos, otro, y tropos, manera) en química es la existencia de dos o más sustancias simples formadas por un
mismo elemento en el mismo estado físico, pero con diferente estructura, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y
como ozono (O3), o con características físicas distintas, como el fósforo, que se presenta como y fósforo rojo y fósforo blanco(P 4), o el carbono, que lo
hace como grafito, diamante y fulereno. Las diferentes sustancias simples del elemento correspondiente se denominan alótropos o formas alotrópicas.
Formas Alotrópicas del Carbono: Grafito, Diamante y Fulereno.
El carbono como sustancia simple se presenta en la naturaleza en dos variedades alotrópicas: diamante y grafito, constituidas
por cristales formados por átomos de carbono unidos por enlaces covalentes.
En los últimos años se han identificado nuevas variedades alotrópicas denominadas fulerenos; la más estudiada se denomina
fulereno 60.
Todas las otras formas de carbono libre, como la hulla y la antracita, generalmente se denominan “amorfas” o no cristalinas, y no
son carbono puro. Hay evidencias experimentales que muestran que estas variedades consideradas amorfas son en realidad
microcristalinas, formadas por cristales demasiado pequeñas para poderse ver medianamente los métodos ópticos ordinarios, pero
cuya estructura se revela mediante el análisis por rayos X.
Formas Cristalinas: diamante, grafito, fulerenos.
CARBONO
Formas Microcristalinas:
Naturales: antracita, hulla, lignito, turba.
(Carbón)
Artificiales: carbón de madera, carbón animal, negro de humo, carbón de retorta,
coque.
Diamante: En mineralogía, el diamante (del griego antiguo adámas, que significa "propio" o
"inalterable") es el 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 eléctrica de todos los
materiales comunes. Estas propiedades determinan que la aplicación industrial principal del diamante sea
en herramientas de corte y de pulido.
Grafito: El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al
diamante y los fulerenos . A presión atmosférica y temperatura ambiente es más estable el grafito que el
diamante, sin embargo la descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es
apreciable a escala geológica. Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el año 1789 y el término
grafito deriva del griego γραφειν (graphein) que significa escribir. También se denomina plumbagina y
plomo negro.
El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero también se produce
artificialmente. El principal productor mundial de grafito es, China seguido de India y Brasil. En el
grafito, cada átomo de carbono está enlazado a otros tres átomos formando una estructura hexagonal
plana. Las capas hexagonales se unen entre sí por enlaces muy débiles (líneas punteadas en la imagen) lo
cual les permite deslizarse unas sobre otras.
La poca dureza del grafito y su poder lubricante se explican porque las capas planas de átomos de carbono
pueden resbalar unas sobre otras. El grafito es buen conductor de la electricidad debido a que los electrones involucrados en los
enlaces entre capa y capa se pueden mover con relativa libertad.
Fulereno: Los fullerenos o fulerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el
carbono. El primer fullereno se descubrió en 1985 y se han vuelto populares entre los químicos, tanto por
su belleza estructural como por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan
en forma de esferas, elipsoides o cilindros. La más estudiada es la de 60 átomos (fulereno 60). Mientras
que el grafito y el diamante están formados por átomos de carbono unidos entre sí formando redes, esta
nueva variedad alotrópica es un sólido molecular de composición C60. Las moléculas de C60 forman un
sólido estable a temperatura ambiente, soluble en solventes no polares como benceno y hexeno, y puede
vaporizarse manteniendo la estructura C60. Los fulerenos son muy resistentes a la comprensión; pueden ser
sometidos a altas presiones sin producirse distorsiones significativas en su estructura.
Fulereno 60
Formas Microcristalinas (amorfas):
a) Tipos de carbón natural: el carbono también se encuentra en el carbón natural, que proviene de la descomposición lenta de
restos vegetales sepultados en épocas muy antiguas. Estos, por efecto de diversos agentes tales como presión, altas temperaturas y
microorganismos, sufren una progresiva pérdida de oxígeno, hidrógeno y otros elementos y se enriquecen gradualmente de
carbono.
1-Antracina: Es el carbón de formación más antigua. Contiene entre 90 y 96 % de C; su color es negro brillante y posee alta
dureza. Arde con poca llama pero gran desprendimiento de calor y sin producir humo ni olor. Los principales yacimientos de
antracita se encuentran en China y Rusia.
2-Hulla: también se conoce como “carbono de piedra”; contiene entre 75 y 92 & de C. Después de la antracita es la variedad más
antigua de carbón, y es el más importante de los combustibles sólidos debido a su abundancia y sus múltiples usos. Posee color
negro brillante, arde con mayor facilidad que la antracita pero desprende menos cantidad de calor. Además de su empleo como
combustible permite obtener por pirolisis numerosos subproductos, entre otros: benceno, amoníaco, fenol, naftaleno, coque.
3-Lignito: es de formación más reciente que la antracita y la hulla. Contiene entre 55 y 75 % de C y posee menor poder calorífico
que las variedades anteriores. Arde con facilidad pero desprendiendo mucho humo y olor desagradable.
4-Turba: es el carbón de formación más reciente, y es está constituido por vegetales parcialmente descompuestos. Se encuentra en
pantanos y bañados, y posee entre 45 y 55 % de C. Arde con facilidad per desprende mucho humo y olor desagradable; su poder
calorífico es mucho menor que el de las variedades anteriores.
b) Tipos de carbón artificial: son obtenidos por el hombre y llevan nombres especiales que dependen de su procedencia, por
ejemplo: carbón vegetal o carbón animal.
1-Carbón vegetal o de madera: es el resultado de la “destilación seca” o pirolisis de la madera. También se le puede obtener por
la combustión incompleta de la madera en carboneras. Es muy poroso, lo cual permite que presente una gran superficie interior. El
carbón vegetal y también otras variedades de carbón presentan gran poder de adsorción; significa que sobre su superficie pueden
adherirse capas delgadas de moléculas de diferentes sustancias. Esto permite eliminar gases venenosos o de mal olor presentes en
el aire, al hacerlo pasar a través de carbón vegetal, en los dispositivos denominados “purificadores de aire”. Las máscaras portátiles
contra gases tóxicos también posen carbón vegetal. También se utiliza el carbón vegetal para decolorara y desodorizar líquidos y
para purificar diversos productos industriales (por ejemplo es utilizado en la industria azucarera). El carbón vegetal se puede
“activar” al tratarlo con vapor sobrecalentado obteniéndose carbón activado; en este proceso se incrementa la superficie del carbón
lo cual aumenta su poder de absorción. Todas las variedades microcristalinas de carbón son de naturaleza grafítica. Los átomos de
carbono superficiales pueden utilizar los electrones no compartidos para unirse con otros átomos; esto explica su gran poder
adsorbente.
2-Carbón animal: se obtiene de la combustión incompleta de diversos restos animales, fundamentalmente huesos y sangre, por lo
que posee como impureza un alto contenido de fosfato de calcio, Ca3 (PO4). Es un polvo muy fino de gran poder de adsorción.
3-Negro de humo: se obtiene por combustión incompleta de numerosos compuestos orgánicos tales como resinas, grasas, gas
natural o diferente derivados del petróleo. Es un polvo muy fino constituido por carbono prácticamente puro (33 % de C). Se lo
utiliza en la fabricación de: tintas de imprenta, papel carbónico, pomada para lustrar zapatos, tinta china, pinturas de color negro,
neumáticos (se lo añade al caucho, materia prima principal).
4-Carbón de retorta: es el carbón que queda en las paredes de las retortas al destilar la hulla. Es una variedad muy dura y
compacta; posee buena conductividad térmica y eléctrica. Se emplea en la fabricación de electrodos de pilas y de arcos eléctricos.
5-Coque: es el carbón que se obtiene como resultado en la destilación seca de la hulla. Es poroso, liviano y de color gris. Arde con
poca producción de humo y gran desprendimiento de calor. Se lo utiliza como combustible y también como reductor de los óxidos
de hierro usados como materia prima en la industria del acero.
Usos del Carbono:
El principal uso industrial del carbono es como componente de hidrocarburos, especialmente los combustibles fósiles (petróleo y
gas natural). Del primero se obtienen, por destilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites, siendo además la materia
prima empleada en la obtención de plásticos. El segundo se está imponiendo como fuente de energía por su combustión más
limpia. Otros usos son:
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El isótopo carbono-14, descubierto el 27 de febrero de 1940, se usa en la datación radiométrica.
El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices. Además se utiliza como aditivo en lubricantes. Las
pinturas anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas igualmente en el grafito,
intercalando otros compuestos químicos entre sus capas. Es negro y blando. Sus átomos están distribuidos en capas
paralelas muy separadas entre sí. Se forma a menos presión que el diamante. Aunque parezca difícil de creer, un diamante
y la mina de un lapicero tienen la misma composición química: carbono.
El diamante Es transparente y muy duro. En su formación, cada átomo de carbono está unido de forma compacta a otros
cuatro átomos. Se originan con temperaturas y presiones altas en el interior de la tierra. Se emplea para la construcción de
joyas y como material de corte aprovechando su dureza.
Como elemento de aleación principal de los aceros.
En varillas de protección de reactores nucleares.
Las pastillas de carbón se emplean en medicina para absorber las toxinas del sistema digestivo y como remedio de la
flatulencia.
El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y purificación de agua.
El carbón amorfo ("hollín") se añade a la goma para mejorar sus propiedades mecánicas. Además se emplea en la
formación de electrodos (p. ej. de las baterías). Obtenido por sublimación del grafito, es fuente de los fulerenos que
pueden ser extraídos con disolventes orgánicos.
Las fibras de carbón (obtenido generalmente por termólisis de fibras de poliacrilato) se añaden a resinas de poliéster,
donde mejoran mucho la resistencia mecánica sin aumentar el peso, obteniéndose los materiales denominados fibras de
carbono.
Las propiedades químicas y estructurales de los fulerenos , en la forma de nanotubos, prometen usos futuros en el
incipiente campo de la nanotecnología