Carbono

El carbono (del latín: carbo “carbón”) es un elemento químico con el símbolo C y el número atómico 6. Es no metálico y tetravalente, lo que hace que haya cuatro electrones disponibles para formar enlaces químicos covalentes. Pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. Tres isótopos se producen de forma natural, siendo el 12C y el 13C estables, mientras que el 14C es un radionucleido, en descomposición con una vida media de unos 5.730 años. El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad.

El carbono es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre, y el cuarto elemento más abundante en el universo por su masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. La abundancia del carbono, su diversidad única de compuestos orgánicos y su inusual capacidad para formar polímeros a las temperaturas comúnmente encontradas en la Tierra, permite que este elemento sirva como un elemento común de toda la vida conocida. Es el segundo elemento más abundante en el cuerpo humano por su masa (alrededor del 18,5%) después del oxígeno.

Los átomos de carbono pueden unirse de diversas maneras, dando lugar a diversos alótropos de carbono. Los alótropos más conocidos son el grafito, el diamante y el buckminsterfullereno. Las propiedades físicas del carbono varían ampliamente con la forma alotrópica. Por ejemplo, el grafito es opaco y negro mientras que el diamante es altamente transparente. El grafito es lo suficientemente blando como para formar una raya en el papel (de ahí su nombre, del verbo griego “γράφειν” que significa “escribir”), mientras que el diamante es el material natural más duro que se conoce. El grafito es un buen conductor eléctrico mientras que el diamante tiene una baja conductividad eléctrica. En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen las conductividades térmicas más altas de todos los materiales conocidos. Todos los alótropos de carbono son sólidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma más estable termodinámicamente a temperatura y presión estándar. Son químicamente resistentes y requieren alta temperatura para reaccionar incluso con el oxígeno.

El estado de oxidación más común del carbono en los compuestos inorgánicos es +4, mientras que +2 se encuentra en el monóxido de carbono y en los complejos carbonilos metálicos de transición. Las mayores fuentes de carbono inorgánico son las calizas, las dolomitas y el dióxido de carbono, pero cantidades importantes se encuentran en los depósitos orgánicos de carbón, turba, petróleo y clatratos de metano. El carbono forma un gran número de compuestos, más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha, y sin embargo ese número no es más que una fracción del número de compuestos teóricamente posibles en condiciones normales. Por esta razón, el carbono se ha denominado a menudo como el “rey de los elementos”.

Historia

El nombre inglés “carbon” viene del latín “carbo” para el carbón y el carbón vegetal, de donde también viene el francés “charbon”, que significa “carbón vegetal”. En alemán, holandés y danés, los nombres del carbono son Kohlenstoff, koolstof y kulstof respectivamente, todos significando literalmente sustancia de carbón.

El carbono fue descubierto en la prehistoria y se conocía en las formas de hollín y carbón vegetal en las primeras civilizaciones humanas. Los diamantes se conocían probablemente ya en el 2500 a.C. en China, mientras que el carbono en forma de carbón vegetal se fabricó alrededor de la época romana con la misma química que hoy en día, calentando la madera en una pirámide cubierta de arcilla para excluir el aire.

En 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demostró que el hierro se transformaba en acero mediante la absorción de alguna sustancia, ahora conocida como carbono. En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón y de diamantes, descubrió que ninguno de ellos producía agua y que ambos liberaban la misma cantidad de dióxido de carbono por gramo. En 1779, Carl Wilhelm Scheele demostró que el grafito, que se había considerado una forma de plomo, era en cambio idéntico al carbón pero con una pequeña adición de hierro, y que daba “ácido aéreo” (su nombre para el dióxido de carbono) cuando se oxidaba con ácido nítrico. En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge y C. A. Vandermonde confirmaron que el grafito era en su mayor parte carbono al oxidarlo en oxígeno de manera muy similar a como lo había hecho Lavoisier con el diamante. Volvió a quedar algo de hierro, que los científicos franceses pensaron que era necesario para la estructura del grafito. En su publicación propusieron el nombre de carbono (latín carbonum) para el elemento del grafito que se desprendía como un gas al quemar el grafito. Antoine Lavoisier entonces enumeró el carbono como un elemento en su libro de texto de 1789.

Un nuevo alótropo del carbono, el fullereno, que fue descubierto en 1985 incluye formas nanoestructuradas como buckyballs y nanotubos. Sus descubridores - Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley - recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. El renovado interés resultante en nuevas formas llevó al descubrimiento de otros alótropos exóticos, incluido el carbono vidrioso, y a la comprensión de que el “carbono amorfo” no es estrictamente amorfo.

Ocurrencia natural

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo observable por su masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. El carbono es abundante en el Sol, las estrellas, los cometas y en las atmósferas de la mayoría de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar era todavía un disco protoplanetario. Los diamantes microscópicos también pueden formarse por la intensa presión y la alta temperatura en los lugares de los impactos de los meteoritos.

En 2014 la NASA anunció una base de datos muy actualizada para el seguimiento de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en el universo. Más del 20% del carbono en el universo puede estar asociado a los HAP, compuestos complejos de carbono e hidrógeno sin oxígeno. Estos compuestos figuran en la hipótesis del mundo de los HAP, donde se supone que tienen un papel en la abiogénesis y la formación de la vida. Los HAP parecen haberse formado “un par de miles de millones de años” después del Big Bang, se han extendido por todo el universo y están asociados con nuevas estrellas y exoplanetas.

Se ha estimado que la Tierra sólida en su conjunto contiene 730 ppm de carbono, con 2000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza combinados. Dado que la masa de la Tierra es de 5,972×1024 kg, esto implicaría 4360 millones de gigatoneladas de carbono. Esto es mucho más que la cantidad de carbono en los océanos o la atmósfera (abajo).

En combinación con el oxígeno del dióxido de carbono, el carbono se encuentra en la atmósfera de la Tierra (aproximadamente 900 gigatoneladas de carbono - cada ppm corresponde a 2,13 Gt) y se disuelve en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36.000 gigatoneladas de carbono). Se ha estimado que el carbono en la biosfera es de 550 gigatoneladas, pero con una gran incertidumbre, debido principalmente a una gran incertidumbre en la cantidad de bacterias terrestres del subsuelo profundo. Los hidrocarburos (como el carbón, el petróleo y el gas natural) también contienen carbono. Las “reservas” de carbón (no los “recursos”) ascienden a unas 900 gigatoneladas con quizás 18.000 Gt de recursos. Las reservas de petróleo son alrededor de 150 gigatoneladas. Las fuentes probadas de gas natural son alrededor de 175×1012 metros cúbicos (que contienen unas 105 gigatoneladas de carbono), pero los estudios estiman otros 900×1012 metros cúbicos de depósitos “no convencionales” como el gas de esquisto, que representan unas 540 gigatoneladas de carbono.

El carbono también se encuentra en los hidratos de metano en las regiones polares y bajo los mares. Varias estimaciones sitúan este carbono entre 500, 2500 Gt, o 3.000 Gt.

En el pasado, las cantidades de hidrocarburos eran mayores. Según una fuente, en el período comprendido entre 1751 y 2008 se liberaron a la atmósfera unas 347 gigatoneladas de carbono en forma de dióxido de carbono por la quema de combustibles fósiles. Otra fuente sitúa la cantidad añadida a la atmósfera para el período desde 1750 en 879 Gt, y el total que va a la atmósfera, el mar y la tierra (como las turberas) en casi 2.000 Gt.

El carbono es un constituyente (alrededor del 12% en masa) de las grandes masas de roca carbonatada (piedra caliza, dolomita, mármol, etc.). El carbón es muy rico en carbono (la antracita contiene entre el 92 y el 98%) y es la mayor fuente comercial de carbono mineral, representando 4.000 gigatoneladas o el 80% del combustible fósil.

En cuanto a los alótropos individuales de carbono, el grafito se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos (principalmente en Nueva York y Texas), Rusia, México, Groenlandia y la India. Los diamantes naturales se encuentran en la roca kimberlita, que se encuentra en antiguos “cuellos” o “tuberías” volcánicas. La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África, en particular en Sudáfrica, Namibia, Botswana, la República del Congo y Sierra Leona. También se han encontrado depósitos de diamantes en Arkansas (Canadá), el Ártico ruso, el Brasil y en Australia septentrional y occidental. También se están recuperando diamantes del fondo del océano frente al Cabo de Buena Esperanza. Los diamantes se encuentran de forma natural, pero alrededor del 30% de todos los diamantes industriales utilizados en los EE.UU. se fabrican ahora.

El carbono 14 se forma en las capas superiores de la troposfera y la estratosfera a altitudes de 9-15 km por una reacción que es precipitada por los rayos cósmicos. Se producen neutrones térmicos que colisionan con los núcleos de nitrógeno-14, formando el carbono-14 y un protón. Como tal, 1,5%×10-10 de dióxido de carbono atmosférico contiene carbono-14.

Los asteroides ricos en carbono son relativamente preponderantes en las partes exteriores del cinturón de asteroides de nuestro sistema solar. Estos asteroides aún no han sido muestreados directamente por los científicos. Los asteroides pueden utilizarse en una hipotética minería de carbono basada en el espacio, lo cual puede ser posible en el futuro, pero actualmente es tecnológicamente imposible.

Producción

Graphite

Los depósitos naturales de grafito comercialmente viables se encuentran en muchas partes del mundo, pero las fuentes más importantes desde el punto de vista económico se encuentran en China, India, Brasil y Corea del Norte. Los depósitos de grafito son de origen metamórfico, y se encuentran en asociación con cuarzo, mica y feldespatos en esquistos, gneisses y areniscas metamorfoseadas y calizas como lentes o venas, a veces de un metro o más de espesor. Los depósitos de grafito en Borrowdale, Cumberland, Inglaterra, fueron en un principio de suficiente tamaño y pureza que, hasta el siglo XIX, los lápices se fabricaban simplemente aserrando bloques de grafito natural en tiras antes de encajarlos en la madera. Hoy en día, se obtienen depósitos más pequeños de grafito triturando la roca madre y haciendo flotar el grafito más ligero en el agua.

Hay tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas o cristalino y en vetas o terrones. El grafito amorfo es el de menor calidad y el más abundante. Contrariamente a la ciencia, en la industria “amorfo” se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño en lugar de una completa falta de estructura cristalina. El amorfo se utiliza para productos de grafito de menor valor y es el grafito de menor precio. Se encuentran grandes depósitos de grafito amorfo en China, Europa, México y los Estados Unidos. El grafito en escamas es menos común y de mayor calidad que el amorfo; se presenta en forma de placas separadas que cristalizan en la roca metamórfica. El grafito en escamas puede ser cuatro veces más caro que el amorfo. Las escamas de buena calidad pueden ser procesadas en grafito expandible para muchos usos, como los retardantes de llama. Los principales depósitos se encuentran en Alemania, Austria, Brasil, Canadá, China y Madagascar. El grafito en vena o en trozos es el tipo de grafito natural más raro, más valioso y de mayor calidad. Se encuentra en las venas a lo largo de contactos intrusivos en terrones sólidos, y sólo se extrae comercialmente en Sri Lanka.

Según el USGS, la producción mundial de grafito natural fue de 1,1 millones de toneladas en 2010, a las que China aportó 800.000 t, la India 130.000 t, el Brasil 76.000 t, Corea del Norte 30.000 t y el Canadá 25.000 t. No se informó de la extracción de grafito natural en los Estados Unidos, pero en 2009 se produjeron 118.000 t de grafito sintético con un valor estimado de 998 millones de dólares.

Diamante

La cadena de suministro de diamantes está controlada por un número limitado de empresas poderosas, y también está muy concentrada en un pequeño número de lugares de todo el mundo (véase la figura).

Sólo una fracción muy pequeña del mineral de diamantes consiste en diamantes reales. El mineral se tritura, durante lo cual hay que tener cuidado para evitar que los diamantes de mayor tamaño se destruyan en este proceso y, posteriormente, las partículas se clasifican por densidad. Hoy en día, los diamantes se localizan en la fracción de densidad rica en diamantes con la ayuda de la fluorescencia de rayos X, tras lo cual los pasos finales de clasificación se realizan a mano. Antes de que se generalizara el uso de los rayos X, la separación se hacía con cintas de grasa; los diamantes tienen una tendencia más fuerte a adherirse a la grasa que los demás minerales del mineral.

Históricamente se sabe que los diamantes sólo se encontraban en los depósitos aluviales del sur de la India. La India lideró la producción mundial de diamantes desde el momento de su descubrimiento, aproximadamente en el siglo IX a.C., hasta mediados del siglo XVIII d.C., pero el potencial comercial de estas fuentes se había agotado a finales del siglo XVIII y en esa época la India fue eclipsada por el Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes no indios en 1725.

La producción de diamantes de los depósitos primarios (kimberlitas y lamproitas) no comenzó hasta el decenio de 1870, tras el descubrimiento de los campos de diamantes en Sudáfrica. La producción ha aumentado con el tiempo y ahora se ha extraído un total acumulado de 4.500 millones de quilates desde esa fecha. Alrededor del 20% de esa cantidad ha sido extraída sólo en los últimos 5 años, y durante los últimos diez años 9 nuevas minas han comenzado la producción mientras que otras 4 están esperando ser abiertas pronto. La mayoría de estas minas se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola y una en Rusia.

En los Estados Unidos, se han encontrado diamantes en Arkansas, Colorado y Montana. En 2004, un sorprendente descubrimiento de un diamante microscópico en los Estados Unidos dio lugar a la toma de muestras en masa de tubos de kimberlita en enero de 2008 en una zona remota de Montana.

Hoy en día, la mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encuentran en Rusia, Botswana, Australia y la República Democrática del Congo. En 2005, Rusia produjo casi una quinta parte de la producción mundial de diamantes, según informa el Servicio Geológico Británico. Australia tiene la tubería diamantífera más rica, con una producción que alcanzó niveles máximos de 42 toneladas métricas (41 toneladas largas; 46 toneladas cortas) por año en el decenio de 1990. También hay depósitos comerciales que se explotan activamente en los Territorios Noroccidentales del Canadá, Siberia (sobre todo en el territorio de Yakutia; por ejemplo, la tubería de Mir y la tubería de Udachnaya), el Brasil y en Australia septentrional y occidental.

Uso económico

El carbono es esencial para todos los sistemas vivos conocidos, y sin él la vida tal como la conocemos no podría existir (véase la bioquímica alternativa). El principal uso económico del carbono, aparte de los alimentos y la madera, es en forma de hidrocarburos, sobre todo el combustible fósil gas metano y el petróleo crudo. El petróleo crudo es destilado en las refinerías por la industria petroquímica para producir gasolina, queroseno y otros productos. La celulosa es un polímero natural que contiene carbono y que es producido por las plantas en forma de madera, algodón, lino y cáñamo. La celulosa se utiliza principalmente para mantener la estructura de las plantas. Los polímeros de carbono de origen animal de valor comercial incluyen la lana, la cachemira y la seda. Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incluidos a intervalos regulares en la cadena principal de polímeros. Las materias primas de muchas de estas sustancias sintéticas provienen del petróleo crudo.

Los usos del carbono y sus compuestos son extremadamente variados. Puede formar aleaciones con el hierro, de las cuales la más común es el acero al carbono. El grafito se combina con arcillas para formar la “mina” que se utiliza en los lápices para escribir y dibujar. También se utiliza como lubricante y pigmento, como material de moldeo en la fabricación de vidrio, en electrodos para baterías secas y en galvanoplastia y electroconformado, en cepillos para motores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares.

El carbón se utiliza como material de dibujo en obras de arte, parrillas de barbacoa, fundición de hierro y en muchas otras aplicaciones. La madera, el carbón y el petróleo se utilizan como combustible para la producción de energía y calefacción. El diamante de calidad gema se utiliza en joyería, y los diamantes industriales se emplean en herramientas de perforación, corte y pulido para el mecanizado de metales y piedra. Los plásticos están hechos de hidrocarburos fósiles, y la fibra de carbono, hecha por pirólisis de fibras sintéticas de poliéster se utiliza para reforzar los plásticos para formar materiales compuestos avanzados y ligeros.

La fibra de carbono está hecha por pirólisis de filamentos extruidos y estirados de poliacrilonitrilo (PAN) y otras sustancias orgánicas. La estructura cristalográfica y las propiedades mecánicas de la fibra dependen del tipo de material de partida, y del procesamiento posterior. Las fibras de carbono hechas de PAN tienen una estructura parecida a la de los filamentos estrechos de grafito, pero el procesamiento térmico puede reordenar la estructura en una hoja enrollada continua. El resultado son fibras con mayor resistencia específica a la tracción que el acero.

El negro de carbón se utiliza como pigmento negro en la tinta de impresión, pintura al óleo y acuarela para artistas, papel carbón, acabados para automóviles, tinta china y tóner para impresoras láser. El negro de humo también se utiliza como relleno en productos de goma como los neumáticos y en compuestos plásticos. El carbón activado se utiliza como absorbente y adsorbente en material filtrante en aplicaciones tan diversas como las máscaras de gas, la purificación del agua y las campanas extractoras de cocina, y en medicina para absorber toxinas, venenos o gases del sistema digestivo. El carbono se utiliza en la reducción química a altas temperaturas. El coque se utiliza para reducir el mineral de hierro en hierro (fundición). El endurecimiento del acero se logra calentando los componentes de acero terminados en polvo de carbono. Los carburos de silicio, tungsteno, boro y titanio, se encuentran entre los materiales más duros conocidos, y se utilizan como abrasivos en las herramientas de corte y amolado. Los compuestos de carbono constituyen la mayor parte de los materiales utilizados en la ropa, como los textiles naturales y sintéticos y el cuero, y casi todas las superficies interiores del entorno construido, aparte del vidrio, la piedra y el metal.

Diamantes

La industria del diamante se divide en dos categorías: una que se ocupa de los diamantes de calidad gema y la otra, de los diamantes de calidad industrial. Aunque existe un gran comercio de ambos tipos de diamantes, los dos mercados funcionan de forma muy diferente.

A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino, los diamantes de calidad gema no se comercializan como mercancía: hay un margen de beneficio considerable en la venta de diamantes y no existe un mercado muy activo de reventa de diamantes.

Los diamantes industriales se valoran sobre todo por su dureza y su conductividad térmica, siendo irrelevantes las cualidades gemológicas de claridad y color. Alrededor del 80% de los diamantes extraídos (equivalente a unos 100 millones de quilates o 20 toneladas anuales) no son aptos para su uso como piedras preciosas y quedan relegados a un uso industrial (conocido como bort). Los diamantes sintéticos, inventados en el decenio de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi inmediatas; anualmente se producen 3.000 millones de quilates (600 toneladas) de diamante sintético.

El uso industrial dominante del diamante es el corte, la perforación, el esmerilado y el pulido. La mayoría de estas aplicaciones no requieren diamantes de gran tamaño; de hecho, la mayoría de los diamantes de calidad gema, excepto los de pequeño tamaño, pueden utilizarse industrialmente. Los diamantes se incrustan en las puntas de los taladros o en las hojas de sierra, o se pulverizan para su uso en aplicaciones de esmerilado y pulido. Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como contención para experimentos de alta presión (véase célula de yunque de diamante), cojinetes de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especializadas. Con los continuos avances en la producción de diamantes sintéticos, se están haciendo posibles nuevas aplicaciones. El posible uso del diamante como semiconductor adecuado para microchips y, debido a su excepcional propiedad de conductividad térmica, como disipador de calor en la electrónica, es muy interesante.

Biología

El carbono está presente en toda la vida orgánica conocida y es la base de la química orgánica. Cuando se une al hidrógeno, forma varios hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, solventes, como materia prima química para la fabricación de plásticos y productos petroquímicos, y como combustibles fósiles.

Cuando se combina con el oxígeno y el hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes, como azúcares, lignanos, quitinas, alcoholes, grasas y ésteres aromáticos, carotenoides y terpenos. Con el nitrógeno forma alcaloides, y con la adición de azufre también forma antibióticos, aminoácidos y productos de caucho. Con la adición de fósforo a estos otros elementos, forma el ADN y el ARN, los portadores del código químico de la vida, y el trifosfato de adenosina (ATP), la molécula de transferencia de energía más importante de todas las células vivas.

Seguridad

El carbono puro tiene una toxicidad extremadamente baja para los humanos y puede ser manejado con seguridad en forma de grafito o carbón. Es resistente a la disolución o al ataque químico, incluso en el contenido ácido del tracto digestivo. Por consiguiente, una vez que entra en los tejidos del cuerpo es probable que permanezca allí indefinidamente. El negro de carbón fue probablemente uno de los primeros pigmentos que se utilizaron para tatuar, y se descubrió que Ötzi, el Hombre de Hielo, tenía tatuajes de carbón que sobrevivieron durante su vida y durante 5.200 años después de su muerte. La inhalación de polvo de carbón u hollín (negro de carbón) en grandes cantidades puede ser peligrosa, irritando los tejidos pulmonares y causando la enfermedad pulmonar congestiva, la neumoconiosis de los trabajadores del carbón. El polvo de diamante usado como abrasivo puede ser dañino si se ingiere o se inhala. Las micropartículas de carbono se producen en los gases de escape de los motores diesel y pueden acumularse en los pulmones. En estos ejemplos, el daño puede ser causado por los contaminantes (por ejemplo, productos químicos orgánicos, metales pesados) más que por el propio carbono.

El carbono generalmente tiene una baja toxicidad para la vida en la Tierra; pero las nanopartículas de carbono son mortales para Drosophila.

El carbono puede arder vigorosa y brillantemente en presencia de aire a altas temperaturas. Grandes acumulaciones de carbón, que han permanecido inertes durante cientos de millones de años en ausencia de oxígeno, pueden combustionar espontáneamente cuando se exponen al aire en los vertederos de residuos de las minas de carbón, en las bodegas de carga de los barcos y en los depósitos de carbón, y en los vertederos de almacenamiento.

En las aplicaciones nucleares en las que se utiliza el grafito como moderador de neutrones, puede producirse una acumulación de energía Wigner seguida de una liberación repentina y espontánea. El recocido a por lo menos 250 °C puede liberar la energía de forma segura, aunque en el incendio de Windscale el procedimiento salió mal, causando la combustión de otros materiales del reactor.

La gran variedad de compuestos de carbono incluye venenos letales como la tetrodotoxina, la lectina ricina de las semillas de la planta de aceite de ricino Ricinus communis, el cianuro (CN-) y el monóxido de carbono; y elementos tan esenciales para la vida como la glucosa y las proteínas.