Carboni

És l'element químic base en la vida orgànica tal i com es coneix, i és la base de la química orgànica. Totes les formes de vida que es coneixen estan formades de molècules compostes principalment per carboni, hidrogen, nitrogen i oxigen (a més de multitud d'altres elements en menys proporció). Aquest element no metàl·lic té la interessant propietat de ser capaç d'enllaçar-se amb ell mateix i amb una àmplia varietat d'altres elements. Es coneixen prop de 10 milions de compostos orgànics formats per estructures de carboni.

[edita] Característiques notables

El carboni és un element notable per diverses raons:

El carboni no va ser creat durant el Big Bang, atès que requereix per a la seva generació una col·lisió triple de partícules alfa (nuclis d'heli). L'univers inicialment es va expandir i refredar massa ràpid per a fer això possible. Però a l'interior de les estrelles es troba una concentració suficient d'heli per a transformar alguns nuclis d'aquest element en carboni a través de l'anomenat procés triple alfa.
A l'interior de les estrelles, el cicle del carboni i nitrogen proporciona part de l'energia produïda pel Sol i altres estrelles.
Les seves diferents estructures inclouen una de les substàncies més toves conegudes (el grafit) i una de les més dures (el diamant). (vegeu: escala de Duresa Mohs)
A més, té una gran afinitat per enllaçar-se químicament amb altres àtoms petits, i la seva petita mida li permet la formació d'enllaços múltiples. Aquestes propietats permeten al carboni formar prop de 10 milions de compostos orgànics diferents. Aquests compostos de carboni són la base de tota la vida a la Terra.
- Amb l'oxigen, forma el diòxid de carboni, vital per al creixement de les plantes i altres autòtrofs (vegi's cicle del carboni).
- Amb l'hidrogen forma nombrosos compostos, anomenats genèricament hidrocarburs, essencials per la indústria i el transports actuals, en forma de combustibles fòssils.
- Amb hidrogen i oxigen, forma una gran varietat de compostos, com per exemple els àcids grassos, essencials per la vida, i els èsters que donen el seu gust característic a les fruites.

[edita] Aplicacions

El carboni és un component vital de tots els éssers vius, i sense el qual la vida, tal com la coneixem, no podria existir. L'activitat econòmica més gran relativa al carboni (en l'actualitat) és en forma d'hidrocarburs, els anomenats combustibles fòssils, gas metà i cru. El cru és usat per la indústria petroquímica per a produir principalment petroli, gasolina, gas-oli i querosè a través d'un procés de destil·lació en les anomenades refineries. El cru és la matèria primera per a moltes substàncies sintètiques, entre elles els omnipresents plàstics.

Altres usos:

L'isòtop ¹⁴C, descobert el 27 de febrer de 1940 és usat en la datació radioactiva.
El grafit és combinat amb argiles per a formar les mines usades en els llapis.
El diamant és usat com a pedra preciosa amb finalitats decoratives atesa la seva brillantor, i també s'usa per a fabricar moles de perforació, gràcies a la seva duresa.
El carboni s'afegeix al ferro per a fabricar acer.
El carboni és usat per a fabricar barres de control en reactors nuclears
Pols de grafit cuita és usada com a carbó per a coure peces d'art i per a altres usos.
El carbó en píndoles o en pols és usat per a absorbir toxines o verins en l'aparell digestiu

Les propietats químiques i estructurals dels fulerens, en la forma de nanotubs de carboni, tenen un futur prometedor en el naixent camp de la nanotecnologia.

[edita] Història

El carboni (l'origen llatí del mot prové del carbó), fou descobert a la prehistòria, i es creava a partir de la crema de material orgànic (llenya) en manca d'oxigen. L'objectiu de l'ofici de carboner era l'obtenció de carbó.

Els diamants, també coneguts des de fa molt temps, són considerats la pedra preciosa per excel·lència, atesa la seva gran duresa i lluentor.

Els fullerens, descoberts a la dècada dels 80, tenen un futur prometedor en el camp de la nanotecnologia.

[edita] Abundància i obtenció

El carboni no es va crear durant el Big Bang perquè hagués necessitat la triple col·lisió de partícules alfa (nuclis atòmics d'heli) i l'univers es va expandir i refredar massa ràpid perquè la probabilitat que això esdevingués fora significativa. On si ocorre aquest procés és en l'interior de les estrelles (en la fase «RH (Branca horitzontal)») on aquest element és abundant, trobant-se a més en altres cossos celestes com els estels i en les atmosferes dels planetes. Alguns meteorits contenen diamants microscòpics que es van formar quan el sistema solar era encara un disc protoplanetari.

En combinació amb altres elements, el carboni es troba en l'atmosfera terrestre i dissolt en l'aigua, i acompanyat de menors quantitats de calci, magnesi i ferro forma enormes masses rocoses (calcària, dolomia, marbre, etc.).

El grafit es troba en grans quantitats en Estats Units, Rússia, Mèxic, Groenlàndia i Índia.

Els diamants naturals es troben associats a roques volcàniques (kimberlita i lamproita). Els majors dipòsits de diamants es troben al continent africà (Sud-àfrica, Namíbia, Botswana, República del Congo i Sierra Leone. Existeixen a més dipòsits importants a Canadà, Rússia, Brasil i Austràlia.

[edita] Al·lòtrops

Depenent de les condicions de formació pot trobar-se en diverses al·lotropies, actualment es coneixen quatre al·lòtrops del carboni:

Amorf
Grafit
Diamant
fullerè
El 22 de març del 2004 es va anunciar el descobriment del cinquè al·lòtrop a la revista Nature (vegeu l'article)

En la seva forma amorfa, el carbó és essencialment grafit, però sense formar cap macroestructura cristal·lina. Està formant un polsim, que és el component principal de substàncies com és el carbó i el sutge.

Disposició geomètrica dels orbitals hibrids sp² en el grafit. Els enllaços se situen en el mateix pla, formant angles de 120º

A pressions normals, el carbó pren la forma de grafit (sistema hexagonal), un mineral molt tou, en el qual cada àtom està enllaçat a tres més formant un pla de cel·les hexagonals (com en un rusc d'abelles). Conté 3 electrons en orbitals bidimensionals anomenats sp², i un electró en l'orbital s. En el grafit, capes planes d'àtoms de carboni, s'apilen les unes sobre les altres, com en un llibre. Els enllaços que formen els àtoms de carboni també els trobem en els hidrocarburs aromàtics.

Les dues formes conegudes del grafit l´alfa (hexagonal) i la beta (romboïdal) tenen les mateixes propietats físiques, però la seva estructura cristal·lina difereix. Els grafits que es formen a la natura contenen fins un 30% de la forma beta, mentre que els grafits formats sintèticament només contenen grafit en la forma alfa. És possible convertir el grafit de la forma alfa a la forma beta, a través de processos mecànics, però tot el grafit en forma beta es transforma una altra vegada en grafit alfa quan és escalfat per sobre dels 1000°C

Atesa la deslocalització dels electrons en el núvol pi, en els cristalls de grafit, aquests condueixen l'electricitat. El material és tou i les capes, sovint separades per altres àtoms, es mantenen unides gràcies a la força de Van der Waals, de manera que rellisquen amb certa facilitat les unes sobre les altres.

Disposició geomètrica dels orbitals hibrids sp³ en el diamant. Els àtoms se situen en els vèrtexs d'un tetraedre regular.

A pressions molt altes, el carboni forma un altre al·lòtrop anomenat diamant, en el qual cada àtom està enllaçat a quatre més. Forma cristalls de Diamant (sistema cúbic), el mineral més dur conegut. El diamant té la mateixa estructura cristal·lina que el silici i el germani, i gràcies a la força de l'enllaç carboni-carboni, és la substància més resistent a les ratllades, juntament amb el nitrur de bor (BN) un compost isoelectrònic del diamant, i que comparteix la mateixa estructura cristal·lina que aquest. Conté 4 electrons en els orbitals tridimensionals anomenats sp³. Amb el temps, el diamant tendeix a convertir-se en grafit, però a temperatura ambient la conversió és tan lenta que és indetectable. En les condicions adequades, el carboni pot cristal·litzar com a Lonsdaleita, una forma similar al diamant però hexagonal.

Àtoms de carboni en el fullerè (C60) adoptant la forma d'una pilota de futbol.

Àtoms de carboni en el fullerè (C₆₀) adoptant la forma d'una pilota de futbol.

Formant compostos de la família dels fullerens (en el fullerè més simple, 60 àtoms de carboni formen una capa grafítica, organitzada tridimensionalment, de manera similar a una pilota de futbol), i nanotubs de carboni (on s'organitza també tridimensionalment en forma de tub).

El fullerens tenen una estructura semblant a la del grafit, però en lloc d'usar únicament l'empaquetament hexagonal, també contenen pentàgons (o possiblement heptàgons) d'àtoms de carboni. Aquests empaquetaments dobleguen les capes planes d'àtoms en esferes, el·lipses o cilindres. Les propietats dels fullerens no han estat encara completament analitzades. El nom dels fullerens prové que aquestes agrupacions d'àtoms de carboni s'assemblen a les cúpules geodèsiques construïdes per Buckminster Fuller. Pel mateix motiu, els fullerens també són anomenats "buckyboles" i "buckytubs".

En el carbó vitri és isotròpic, i és més fort que el vidre. A diferència del grafit normal, les capes grafítiques no s'apilen les unes sobre les altres, sinó que estan organitzades en totes direccions.

Un altra substància és la fibra de carboni, semblant al 'carbó vitri' i obtinguda estirant fibres orgàniques i carbonitzant-les. D'aquesta manera s'alineen els plans de carboni en la direcció de la fibra. El resultat són fibres amb una resistència específica més gran que l'acer.

També es troba formant enllaços covalents en la química orgànica, de la qual n'és el pilar bàsic, i forma part de tots els éssers vius.

[edita] Compostos

El carboni és l'àtom clau en l'estructura de les biomolècules o molècules que formen la matèria viva, gràcies a la seva capacitat de formar llargues cadenes i anells, i de formar enllaços covalents amb nombrosos elements, la qual cosa origina una extraordinària varietat de molècules amb propietats físico-químico-biològiques diferents.

Quan s'uneix amb oxigen, forma el diòxid de carboni (CO₂), és el compost que expel·lim els animals en respirar, i és absolutament vital per al creixement de les plantes. També pot formar en condicions de manca d'oxigen el monòxid de carboni (CO), on a diferència del que és normal, el carboni actua amb estat d'oxidació 2.

Trobem grans quantitats de carboni en la litosfera, sobretot en el carbonat de calci (CaCO₃), integrant de les roques calcàries. La dissolució d'aquests carbonats o de diòxid de carboni en aigua genera l'ió carbonat (CO₃⁼), i l'ió bicarbonat (HCO₃^-).

A la natura, sovint es troba sense combinar en els diferents tipus de carbó (amb graus variables d'impureses). El carbó va ser usat com a combustible fòssil, permetent la revolució industrial. En els països més rics, la utilització del carbó ja ha estat reemplaçada per la utilització dels hidrocarburs.

Quan s'uneix amb hidrogen, forma diversos compostos anomenats hidrocarburs, essencials per a la indústria en forma de combustibles fòssils. Els hidrocarburs més simples són;

Metà; CH₄, l'hidrocarbur més simple, un carboni i quatre hidrògens
Età; CH₃-CH₃
Propà; CH₃-CH₂-CH₃, usat com a combustible industrial
Butà; CH₃-CH₂-CH₂-CH₃, Usat com a combustible domèstic
Pentà; CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃
. ..

El gas natural, el petroli, la gasolina i el quitrà són barreges d'hidrocarburs de diferents longituds, i amb diferents propietats, que poden a més incloure altres substàncies.

Quan es combina amb oxigen i hidrogen, forma molts grups de compostos, inclosos els àcids grassos, essencials per a la vida, i els èsters, que donen gust a moltes fruites.