EL ATOMO DE CARBONO
1. Por que es importante el átomo de carbono?
El carbono es el elemento alrededor de el cual ha evolucionado la química de la vida. El carbono tiene cuatro electrones de valencia en su capa mas externa, cada uno de los cuales puede parearse con los de otros átomos que puedan completar sus capas electrónicas compartiendo electrones para formar enlaces covalentes. Algunos de estos elementos son el nitrógeno, el hidrógeno y el oxigeno. Pero la característica mas admirable del átomo de carbono, que lo diferencia de los demás elementos y que confirma su papel fundamental en el origen y evolución de la vida, es su capacidad de compartir pares de electrones con otros átomos de carbono para formar enlaces covalentes carbono-carbono. Este fenómeno es el cimiento de la química orgánica. Las proteínas, por ejemplo, corresponden a una sola de esa gran variedad de estructuras formadas mediante el anterior mecanismo.
• Elementos Del Grupo IV A.
• Características generales del grupo
Conforman este grupo los elementos C, Si, Ge, Sn y Pb. Los dos primeros son los mas importantes: el carbono por ser el componente obligado de la materia viviente y el silicio por ser muy abundante en la corteza terrestre. El carbono es el primer termino del grupo y es el que mas se aparta del resto, debido a su comportamiento. Los dos siguientes elementos, silicio y germanio, se consideran como semimetales y los dos últimos, estaño y plomo, como metales típicos cuando actúan con valencia dos que es la mas frecuente. La distribución de en orbitales del ultimo nivel es: s² px¹ py¹ pz. Puesto Que todos los elementos del grupo en su estado tetravalente tienen configuración tetraédrica, para la formación de moléculas covalentes, hay una promoción de un electrón “s”, dando lugar al distribución: s¹ px¹ py¹ pz¹.
2.2 Formas De Presentación Del Carbono
El carbono solo constituye el 0.08% del conjunto de la litosfera, hidrosfera y atmósfera. Aparece en la corteza terrestre en forma de rocas de carbonato de calcio o magnesio. En la atmósfera lo encontramos principalmente en forma de gas carbónico (CO2) y monóxido de carbono (CO).
Existen algunos depósitos de carbono elemental en forma de diamante y grafito:
• Grafito: es la forma alotrópica demás estable del carbono a temperatura y presión ordinarias. Es blando, negro y resbaladizo, con una densidad de 2,25 g\cc. Sus propiedades están ligadas a su estructura; esta consta de átomos de carbono ordenados de capas planas de anillos y seis miembros. Tres de los cuatro electrones de valencia de cada átomo de carbono participan en los enlaces con los carbones de su mismo plano, mientras que el cuarto electrón forma un enlace mas débil perpendicular a dichos planos. Las capas pueden deslizarse horizontalmente con facilidad al romperse esos enlaces y formasen otros nuevos. Debido a ello el grafito lo utilizan como lubricante, como aditivo para aceites de motores y en la fabricación para minas de lápices. Otra propiedad es como el grafito tiene la capacidad de conducir la electricidad.
• Diamante: a diferencia del grafito, el diamante es una de las sustancias mas duras que se conoce. Es incoloro, no conduce la electricidad y es mas denso que el grafito, 3.53 g\cc. Estas propiedades corresponden a su estructura: una red de átomos distribuidos en forma de tetraedro, separados de sus átomos vecinos por solo 1.54 Å. En esta estructura se presentan enlaces muy fuertes sin que haya electrones débilmente retenidos. Por ello el diamante es muy duro, no conduce la electricidad y tiene punto de fusión mas elevado que se conoce de un elemento el cual es cerca de 3570° C.
• Carbones naturales
Los carbones que se hallan en la naturaleza se originaron por carbonización de vegetales en distintos estratos del subsuelo. Dependiendo de su edad geológica se distinguen los siguientes:
• La antracita: es el mas rico en carbono 98% y posee de 5 a 6% de materias volátiles, siendo el de mayor potencia calorífica.
• La hulla: posee de 70 a 90% de carbono y llega a tener u 45% de materias volátiles y es desde el punto de vista industrial, el carbono mas interesante. De la hulla, por destilación en ausencia de aire, se obtienen: gases combustibles, gases amoniacales, alquitrán y un 20% de coque. Destilando el alquitrán se obtienen una gama enorme de productos que tienen aplicaciones como disolventes, colorantes, plásticos, explosivos y medicinas.
• Los lignitos y turbas: son de menor contenido de carbón y en consecuencia tienen usos mas restringidos.
• La Capacidad De Enlace Del Átomo De Carbono.
La configuración electrónica del átomo de carbono en estado normal es 1s², 2s², 2sp²; los dos electrones (p) están en orbitales diferentes (2px y 2py). De acuerdo con esta información el carbonó reaccionaria con el hidrógeno para formar compuestos de tipo CH2, es decir, el carbono seria divalente.
C z=6 1s² 2s¹ 2px¹ 2py¹ 2pz¹
Con esta distribución electrónica el átomo de carbono tiene cuatro orbitales de valencia parcialmente ocupados. Para lograr esta nueva distribución, es necesario invertir cierta cantidad de energía, debido a que un electrón ha sido promovido del nivel de energía 2s a un nivel, algo superior, 2p. A pesar de eso y como compensación, el átomo de carbono adquiere la capacidad para formar cuatro enlaces covalentes. Cada enlace covalente aumentara la estabilidad de la molécula resultante y compensara la energía invertida en la promoción de uno de los electrones 2s. Con esta nueva disposición, el carbono puede compartir sus cuatro electrones desapareados con cuatro átomos de hidrógeno o de cloro, convirtiéndose en un átomo tetravalente.
• Hibridación de un átomo de carbono
La explicación anterior supone que la valencia con que actúa el átomo de carbono es cuatro, no cual no concuerda con su estructura electrónica.
El átomo de carbono tienen la siguiente configuración electrónica en estado basal:
C z=6 1s² 2s² 2px¹ 2py¹ 2pzº
En esta configuración se observa que hay dos orbitales externos parcialmente ocupados 2px y 2py y un orbital totalmente lleno 2s. Con esa distribución electrónica el carbono actuaría con valencia dos. Sin embargo, se puede lograr con facilidad que un electrón de un orbital 2s pase al orbital 2pz libre, logrando que los cuatro electrones estén desapareados.
C z=6 1s² 2s¹ 2px¹ 2py¹ 2pz¹
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