Moléculas de Carbono

Gimnasio Los Alcázares

Jornada Adicional

Santiago Vélez Molina

Noveno Grado

EL CARBONO

El carbono ( C ), es un elemento químico de la categor-

ía de los “No metales”, Su número atómico es de 6 y

además es sólido a una temperatura ambiente.

Éste puede encontrarse en la naturaleza en distintas

formas alotrópicas, ya sea amorfo o cristalino.

El carbono, Es el pilar básico de la química orgánica,

debido a su capacidad de combinarse por su configura-

ción electrónica. Debido a esto, el carbono hace parte

de todos los seres vivos.

El Carbono, puede presentarse tanto de forma dura como el diamante, como de forma blanda así co-

mo el grafito.

El Carbono también presenta una gran afinidad a enlazarse químicamente con átomos más peque-

ños y así formar cadenas, además, debido a su pequeño radio, puede formar enlaces múltiples.

Algunos ejemplos de esto, son el Dióxido de Carbono, que lo forma con partículas de Oxígeno, y los

Hidrocarburos, que los forma con partículas de Hidrógeno.

Estados Alotrópicos

La Alotropía es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo es-

tructuras moleculares diferentes, en el mismo estado físico.

se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos

500.000 compuestos por año, y forma parte de todos los seres vivos conocidos. Forma el 0,2 % de

la corteza terrestre. Y estos compuesto se pueden manifestar en forma de Diamante, Grafito, Lons-

daleita, Buckminsterfullereno, Nanotubo de carbono, Carbono amorfo y Grafeno.

Diamante La palabra diamante significa etimológica-

mente inalterable.

El diamante, es uno de los aló-

tropos del carbono mejor co-

nocidos. Está compuesto por

carbono puro cristalizado y es

muy duro (índice 10 en la es-

cala de dureza Mohs, que va

de 1 a 10).

El cristal de diamante se habría

formado por la repetición y el api-

lado en las 3 direcciones del es-

pacio de átomos de carbono que

se podrían comparar con tetrae-

dros cúbicos cuyo centro concen-

traría la masa del átomo y en los

que los 4 vértices tendrían un

electrón. Los enlaces que unen

los átomos son covalentes y cada

centro de estos átomos está dis-

tanciado de su vecino solamente

por una distancia del orden de

1,54 ángstrom. Dado que los en-

laces atómicos del diamante son

muy cortos, esto explica en parte

su gran dureza.

Grafito

El grafito es un carbono puro que cristaliza en láminas hexagonales y soporta hasta 3000 grados en atmós-

fera inerte, su peso específico aparente es 1,9, su dureza 0,5/1 Mohs (escala de dureza). El grafito es buen

conductor del calor y la electricidad.

El grafito por debajo de los 600 grados no se combina con el oxígeno, el grafito en el vacío es mal lubricante,

el grafito es insoluble en álcalis, en ácidos puros o diluidos y en cloro caliente. El grafito es inhibidor de la co-

rrosión, es incombustible, es químicamente inerte y es antimagnético. El grafito es excelente lubricante en

altas y bajas temperaturas.

El grafito también es utilizado para procesos de electrolisis, electroerosión, fundición en crisoles, electrodos,

ánodos, empaques, cátodos, sellos de grafito, pistones, juntas, rodamientos, etc.

Lonsdaleita, también llamado diamante hexago-

nal en referencia a la estructura cristalina, es una

forma alotrópica de carbono con una red hexago-

nal. En la naturaleza, que se forma cuando meteo-

ritos que contiene grafito huelga la Tierra. El gran

calor y el estrés del impacto transforman el grafito

en diamante, pero conserva la estructura cristali-

na hexagonal de grafito. Lonsdaleita fue identifi-

cado por primera vez en 1967 en el meteorito de

Canyon Diablo, donde se presenta en forma de

cristales microscópicos asociados con el diaman-

te .

Diamante hexagonal también se ha sintetizado en

el laboratorio mediante la compresión y calenta-

miento de grafito, ya sea en una prensa estática o

el uso de explosivos. También ha sido producida

por deposición química de vapor, y también por la

descomposición térmica de un polímero, poli, a

presión atmosférica, bajo atmósfera de argón, a

temperatura 110 C.

Es translúcido, de color marrón-amarillo en color,

y tiene un índice de refracción de 2,40 a 2,41,

una gravedad específica de 3.2 a 3.3, y una dure-

za de Mohs de 7-8. La dureza de Mohs de dia-

mante es 10, y la dureza inferior de lonsdaleíta se

atribuye principalmente a las impurezas e imper-

fecciones en el material de origen natural. Una

muestra pura simulada se ha encontrado para ser

58% más duro que el diamante.

Lonsdaleíta

Buckminsterfullereno

Buckminsterfullereno ( buckyball o fullereno C60) es una forma alotrópica del carbono, o lo que es lo

mismo, el fullereno más pequeño. Está constituido por 60 átomos de carbono repartidos en 20 hexá-

gonos y 12 pentágonos, donde los pentágonos no comparten ninguna arista en común ya que sinó la

estructura se desestabiliza. Tiene la forma de una pelota de fútbol.

Reciben su nombre gracias a Richard Buckminster Fuller, un visionario ingeniero e inventor estadouni-

dense que es conocido por ser el primero en descubrir las propiedades de las cúpulas geodésicas. Las

cúpulas geodésicas pueden sostener su propio peso de manera infinita sin importar cuál sea su tama-

ño,de la misma manera actúan las estructuras de los fullerenos.

Nanotubos de Carbono

Los nanotubos se componen de una o varias láminas de

grafito u otro material enrolladas sobre sí mismas. Algunos

nanotubos están cerrados por media esfera de fullerene, y

otros no están cerrados. Existen nanotubos monocapa (un

sólo tubo) y multicapa (varios tubos metidos uno dentro de

otro, al estilo de las famosas muñecas rusas). Los nanotu-

bos de una sola capa se llaman single wall nanotu-

bes (SWNTS) y los de varias capas, multiple wall nanotubes

(MWNT) .

Los nanotubos tienen un diámetro de unos nanometros y,

sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milímetro,

por lo que dispone de una relación longitud:anchura tre-

mendamente alta y hasta ahora sin precedentes.

Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que

se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 ve-

ces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen

propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la

corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que

los tradicionales cables de cobre

Carbono Amorfo

El carbono amorfo es el carbono que no tiene una estructura cristalina. A escala macroscópica, el carbono

amorfo no tiene una estructura definida, puesto que consiste en pequeños cristales irregulares, pero a es-

cala nano microscópica, puede verse que está hecho de átomos de carbono colocados regularmente.

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. El negro de humo, al que a veces se denomina de forma incorrecta

negro de carbono, se obtiene quemando hidrocarburos líquidos como el queroseno, con una cantidad de

aire insuficiente, produciendo una llama humeante. El humo u hollín se recoge en una cámara separada.

Durante mucho tiempo se utilizó el negro de humo como pigmento negro en tintas y pinturas, pero ha sido

sustituido por el negro de carbono, que está compuesto por partículas más finas. El negro de carbono, lla-

mado también negro de gas, se obtiene por la combustión incompleta del gas natural y se utiliza sobre todo

como agente de relleno y de refuerzo en el caucho o hule.

El Grafeno “El material del futuro”

El carbono es uno de los elementos químicos más im-

portantes en la naturaleza. Se encuentra en todos los

seres vivos y, según se distribuyan sus átomos, puede

formar sustancias con distintas características. A par-

tir del carbono se consigue el grafeno. Este material

surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se

agrupan de forma muy densa en láminas de dos di-

mensiones muy finas (tienen el tamaño de un átomo),

y en celdas hexagonales. Para que te hagas una idea,

su estructura es similar a la que resulta de dibujar un

panal de abejas en un folio. ¿Por qué en un folio? Por-

que es una superficie plana, de dos dimensiones, co-

mo el grafeno.

El grafeno se obtiene a partir de una sustancia abun-

dante en la naturaleza, el grafito. Ésta, forma parte de

nuestra vida cotidiana, ya que se emplea para fabricar

muy variados objetos, desde la mina de los lápices

hasta algunos ladrillos.

Pese a que el grafeno se conoce desde la década de

1930, fue abandonado por considerarlo demasiado

inestable. No fue hasta muchos años después, en

2004, cuando los científicos de origen ruso Novoselov

y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente.

Este descubrimiento no fue baladí, pues gracias a él

obtuvieron el Premio Nobel en 2010.

Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles y transparen-

tes y baterías ultrarrápidas a potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y

otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base excelente para crear nuevos

materiales a medida, en función de las necesidades específicas.

El Grafeno, gracias a sus características mecánicas, químicas y electrónicas, es el candidato ideal para su-

plir otros materiales en implantes oculares, pudiendo servir como prótesis ópticas a aquellas personas que

mantienen sus nervios ópticos intactos.

Aplicaciones del grafeno

en la medicina

El nuevo sensor basado en GRAFENO desarrolla-

do por la universidad de Michigan es presentado

como un biomarcador corporal a todos los nive-

les, puede medir tanto la presión arterial como

los niveles de azúcar en la sangre, pasando por

medir el óxido nítrico en el oxígeno, cuyo nivel es

un indicador de anemia o enfermedades pulmo-

nares. Según el profesor Zhaohui Zong aun no

han sido exploradas todas las aplicaciones posi-

bles de este nuevo sensor.

Otro avance sin precedentes gracias a su bio-

compatibilidad, es su aplicación en el campo de

la oftalmología, según los físicos de la Universi-

dad Técnica de Munich, los implantes de retina

basados en GRAFENO convierten la luz incidente

en impulsos eléctricos que se transmiten al ce-

rebro a través del nervio óptico, transformando

la señal en imágenes.

Científicos de varias universidades han demos-

trado que el GRAFENO sobre caucho puede ser

el material idóneo para la creación de músculos

artificiales, dado que la estimulación eléctrica

sobre este nuevo compuesto hace posible con-

trolar la tensión y relajación del mismo, hacien-

do de él un músculo biónico eficiente.

Algunas parálisis serán en un futuro próximo re-

versibles, personas ciegas volverán a ver y el

control celular que tendremos sobre nosotros

mismos abrirá un nuevo campo en el diagnosti-

co y control de enfermedades.

Esta malla atómica con aspecto de panal de

abeja sigue ampliando su abanico de posibles

aplicaciones, estamos seguros de que los resul-

tados de algunos de los muchos estudios que se

están realizando darán frutos en un futuro que

tenemos ya al alcance de la mano.

Producción de diamantes en lámina

Científicos del (SLAC) National Ac-

celerator Laboratory, Stanford

(EEUU), con un presupuesto anual

de más de 400 millones de dólares

anuales y que van de la mano de

(DOE), llevan muchos años estu-

diando las partículas atómicas y el

comportamiento de los electrones.

Los científicos californianos han

conseguido alterar la estructura

atómica del GRAFENO, sabemos

que ésta es en forma hexagonal

muy regular, el diamante en cam-

bio forma una estructura covalente

en la que los átomos están muy

fuertemente unidos unos a otros

en todas las direcciones, por eso

es tan duro.

Las dos son de carbono puro, lo

único que las diferencia es su es-

tructura atómica.

Este nuevo hallazgo de los miem-

bros del SLAC, se basa en disponer

unas laminas de GRAFENO sobre

una superficie de platino al que

han agregado átomos de hidróge-

no, los resultados demuestran que

la adición del material más abun-

dante del universo a las laminas de

GRAFENO alteran completamente

la estructura atómica de éste,

transformándola en la de los di-

amantes, haciendo de este gran

descubrimiento una revolución in-

dustrial para futuras aplicaciones.

Los diamantes sintéticos en discos

de corte son una realidad en todo

el mundo, la posibilidad de hacer

aleaciones con este material siem-

pre a traído unas expectativas muy

altas en muchos campos, bien pa-

ra la electrónica, semiconductores

y dispositivos de detección de ra-

diación o disipadores de calor de

gran eficiencia.

Las altas presiones para producir

los diamantes sintéticos y su com-

plejidad técnica, hacen que su im-

plementación sea muchas veces

prohibitiva por su alto precio.

La posibilidad de hacer diamantes

low-cost para la industria parece

tener la puerta abierta con este

nuevo sistema basado en grafeno.

Bienvenidos al futuro.

Gimnasio Los Acázares: Jornada

Adicional

Proyecto de Tecnología en con-

junto con Ciencias naturales.

Revista Electrónica informativa

Santiago Vélez Molina

2014