Tabla periódica

Carbono (C)

Howard Birdsong Compilado a partir de fuentes primarias IUPAC, NIST y PubChem

El carbono es el elemento 6, de símbolo C, configuración electrónica [He] 2s² 2p² y masa atómica estándar comprendida entre 12,0096 y 12,0116 u. Es la base de toda la química orgánica y define la unidad de masa atómica: el carbono 12 pesa exactamente 12 u por convenio.

¿Por qué hay más compuestos de carbono que de todo lo demás?

Se conocen más de diez millones de compuestos orgánicos frente a algo más de cien mil inorgánicos. La desproporción tiene una explicación concreta y medible.

El enlace carbono-carbono tiene una energía de disociación de unos 346 kJ/mol. Eso es prácticamente lo mismo que el enlace carbono-hidrógeno, 413 kJ/mol, o el carbono-oxígeno, 358. La consecuencia es que a un átomo de carbono le resulta igual de favorable unirse a otro carbono que a cualquier otra cosa.

Esa propiedad, llamada catenación, permite construir cadenas y anillos de longitud arbitraria sin que la estructura pierda estabilidad. Una molécula de cincuenta carbonos es tan viable como una de dos.

El silicio, situado justo debajo en la tabla, tiene cuatro electrones de valencia igual que el carbono, pero su enlace consigo mismo solo alcanza los 222 kJ/mol, mientras que el enlace silicio-oxígeno llega a 452. Un compuesto de silicio en presencia de oxígeno tiende siempre a convertirse en sílice. Por eso la corteza terrestre es de silicatos y la vida es de carbono.

A la catenación se suma la capacidad de formar enlaces múltiples. El carbono establece dobles y triples enlaces eficaces porque sus orbitales p son compactos y se solapan bien de lado. Los del silicio, más difusos, no lo consiguen.

¿Qué son los alótropos del carbono?

Formas distintas del mismo elemento, con propiedades opuestas.

El diamante tiene cada átomo unido a otros cuatro en disposición tetraédrica, con hibridación sp³, en una red tridimensional continua. Todos los electrones de valencia están comprometidos en enlaces, de modo que no conduce la electricidad, y romper el cristal exige romper enlaces covalentes: de ahí su dureza de 10 en la escala de Mohs.

El grafito tiene cada átomo unido a otros tres en láminas hexagonales planas, con hibridación sp². El cuarto electrón queda deslocalizado en un sistema π que recorre la lámina, lo que hace al grafito conductor. Las láminas se mantienen unidas solo por fuerzas de dispersión y deslizan unas sobre otras, lo que explica que sirva de lubricante y que deje trazo sobre el papel.

Curiosamente, el grafito es la forma termodinámicamente estable a presión y temperatura ordinarias. Un diamante es metaestable y se convierte lentamente en grafito, aunque la barrera de energía es tan alta que el proceso tarda escalas de tiempo geológicas.

Los fullerenos, descubiertos en 1985, son jaulas cerradas; el más conocido, C₆₀, tiene la geometría de un balón de fútbol. Los nanotubos son láminas de grafeno enrolladas. El grafeno es una lámina suelta de un átomo de espesor.

¿Cómo funciona la datación por carbono 14?

El carbono natural es casi todo carbono 12, con un 1,1 % de carbono 13. El carbono 14 existe en proporción ínfima, del orden de una parte por billón, y es radiactivo.

Se produce continuamente en la alta atmósfera cuando los neutrones generados por rayos cósmicos chocan con núcleos de nitrógeno 14. El carbono 14 resultante se oxida a dióxido de carbono y se mezcla con el resto.

Mientras un organismo vive, intercambia carbono con el entorno y mantiene la proporción atmosférica. Al morir, el intercambio cesa. El carbono 14 se desintegra por emisión beta y vuelve a nitrógeno 14 con un periodo de semidesintegración de 5 700 años.

Medir cuánto queda da la edad. Tras 5 700 años queda la mitad; tras 11 400, la cuarta parte. Hacia los 50 000 años la señal se confunde con el ruido de fondo, y ese es el límite práctico del método.

Willard Libby lo desarrolló en 1949 y recibió el Nobel en 1960. La técnica exige una corrección importante: la proporción atmosférica no ha sido constante, y se calibra con anillos de crecimiento de árboles de edad conocida.

⚠️ Las pruebas nucleares atmosféricas de los años cincuenta y sesenta duplicaron el carbono 14 de la atmósfera. Ese pico permite fechar con precisión de un año material formado después de 1955, y es una herramienta forense.

¿Por qué el carbono define la unidad de masa atómica?

Por convenio internacional, un átomo de carbono 12 tiene exactamente 12 unidades de masa atómica. No es una medida sino una definición: la unidad se estableció a partir de ese isótopo.

La elección data de 1961 y resolvió una discrepancia. Los físicos usaban el oxígeno 16 como referencia; los químicos usaban el oxígeno natural, que es una mezcla de tres isótopos. Las dos escalas diferían en unas 275 partes por millón, lo bastante para causar confusión.

El carbono 12 se propuso como compromiso. Es abundante, fácil de manejar en un espectrómetro de masas y su elección desplazaba ambas escalas antiguas lo menos posible.

La masa atómica estándar del carbono no es sin embargo 12 exacto, sino un intervalo de 12,0096 a 12,0116 u. La razón es la presencia del carbono 13, cuya proporción varía según el origen: las plantas discriminan ligeramente contra el isótopo pesado durante la fotosíntesis, y lo hacen de manera distinta según su ruta metabólica.

Esa firma isotópica permite distinguir el azúcar de caña del de remolacha, o detectar la adulteración de una miel.

¿Dónde está el carbono de la Tierra?

Muy poco en la atmósfera, pese a la atención que recibe.

La mayor reserva con diferencia son las rocas carbonatadas: calizas, dolomías y mármoles, que suman decenas de millones de gigatoneladas. Ese carbono procede en gran parte de conchas y esqueletos de organismos marinos acumulados durante cientos de millones de años.

Los océanos contienen unas 38 000 gigatoneladas de carbono disuelto, sobre todo como ion bicarbonato. La biosfera terrestre y los suelos suman unas 2 000. Los combustibles fósiles, unas 4 000. La atmósfera, alrededor de 870.

El intercambio entre estos depósitos constituye el ciclo del carbono. Los flujos naturales son enormes y aproximadamente equilibrados: la fotosíntesis retira cada año unas 120 gigatoneladas y la respiración devuelve una cantidad similar.

La combustión de carbón, petróleo y gas añade a ese ciclo unas 10 gigatoneladas anuales que estaban fuera de circulación desde el Carbonífero. Es una cifra pequeña frente a los flujos naturales y grande frente al desequilibrio entre ellos, y esa distinción es la clave para entender por qué se acumula.

Datos esenciales

Z
6
Atomic weight
12.011 u
Category
no metal reactivo
State at 298 K
Solid
Occurrence
primordial
Discovered
1789
CAS
7440-44-0

Propiedades medidas

PropertyValueSource
Electronegativity 2.55 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 3,823 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 4,098 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 2.267 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 170 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 1,086.4 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)
Electron affinity 121.9 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

Configuración electrónica

2 4 C
Noble gas notation
[He] 2s² 2p²
Full notation
1s² 2s² 2p²
Electrons per shell
2, 4

Isótopos

Preguntas frecuentes

¿Por qué el diamante y el grafito son tan distintos si ambos son carbono puro?

Por cómo se enlazan los átomos. En el diamante cada carbono se une a otros cuatro en una red tridimensional rígida con hibridación sp³. En el grafito cada carbono se une a tres en láminas planas con hibridación sp², y las láminas se mantienen unidas solo por fuerzas débiles. De ahí que el diamante sea el material natural más duro y el grafito se deshaga entre los dedos: la diferencia no está en el átomo sino en la geometría.

¿Cómo funciona la datación por carbono 14?

Los rayos cósmicos producen carbono 14 en la alta atmósfera a un ritmo aproximadamente constante. Los seres vivos lo incorporan mientras respiran o se alimentan, de modo que su proporción refleja la atmosférica. Al morir, el intercambio cesa y el carbono 14 empieza a desintegrarse con un periodo de 5 700 años. Midiendo cuánto queda se calcula el tiempo transcurrido. El método sirve hasta unos 50 000 años, tras los cuales queda demasiado poco para medirlo.

¿Por qué el carbono forma tantos compuestos más que el silicio, que está justo debajo?

Porque el enlace carbono-carbono es fuerte y estable, con unos 346 kJ/mol, mientras que el silicio-silicio ronda los 222 kJ/mol. El carbono forma cadenas largas sin debilitarse; el silicio no. Además, el carbono forma enlaces dobles y triples eficaces por solapamiento p-p, cosa que al silicio, mayor, le resulta mucho más difícil.

¿Qué es el grafeno y por qué se le dio tanta importancia?

Es una sola lámina de grafito, de un átomo de espesor. Se creía que un cristal bidimensional no podía ser estable, hasta que en 2004 Geim y Novoselov lo aislaron con cinta adhesiva. Conduce la electricidad mejor que el cobre, es unas doscientas veces más resistente que el acero en relación con su peso y es casi transparente. Recibieron el Nobel de Física en 2010.

Fuentes