O carbono é o 12.º elemento máis abundante na cortiza terrestre,[7] e o cuarto elemento máisabundante no universo en masa despois dohidróxeno, ohelio e oosíxeno. A abundancia do carbono, a súa diversidade única decompostos orgánicos e a súa infrecuente capacidade para formarpolímeros ás temperaturas comunmente atopadas naTerra, permite que este elemento sirva como compoñente común detoda a vida coñecida. É o segundo elemento máis abundante nocorpo humano en masa (aproximadamente o 18,5%) despois doosíxeno.[8]
Os átomos de carbono poden unirse de diferentes maneiras, denominadasalótropos do carbono, reflexo das condicións de formación. Os máis coñecidos que ocorren naturalmente son ografito, odiamante e ocarbono amorfo.[9] Aspropiedades físicas do carbono varían amplamente coa forma alotrópica. Por exemplo, o grafito éopaco e negro, mentres que o diamante é altamentetransparente. O grafito é o suficientemente brando como para formar unha raia no papel (de aí o seu nome, do verbo grego "γράφειν" que significa 'escribir'), mentres que o diamante é o material natural máis duro coñecido. O grafito é un bocondutor eléctrico mentres que o diamante ten unha baixacondutividade eléctrica. En condicións normais, o diamante, osnanotubos de carbono e ografeno teñen ascondutividades térmicas máis altas de todos os materiais coñecidos. Todos os alótropos do carbono sonsólidos en condicións normais, sendo o grafito a formatermodinámicamente estable. Son quimicamente resistentes e requiren altas temperaturas para reaccionar mesmo con osíxeno.
Oestado de oxidación máis común do carbono noscompostos inorgánicos é +4, mentres que +2 atópase nomonóxido de carbono e en complexoscarbonilos demetais de transición. As maiores fontes de carbono inorgánico son ascalcarias,dolomitas edióxido de carbono, pero cantidades significativas prodúcense en depósitos orgánicos decarbón,turba,petróleo eclatratos de metano. O carbono forma un gran número de compostos, máis que calquera outro elemento, con case dez millóns de compostos descritos ata a data[10] (con 500.000 compostos novos por ano), sendo con todo ese número só unha fracción do número de compostos teoricamente posibles baixo condicións estándar. Por esta razón, a miúdo o carbono describiuse como o «rei dos elementos».[11]
Ésólido a temperatura ambiente, e dependendo das condicións de formación, pode atoparse na natureza en distintas formasalotrópicas, carbono amorfo e cristalino en forma degrafito oudiamante. Natáboa periódica, é o primeiro (fila 2) dos seis elementos en columna (grupo) 14, que teñen en común a composición da súa capa electrónica exterior. O carbono é un dos poucos elementos coñecidos dende a antigüidade.[6]
É o alicerce básico daquímica orgánica: coñecendose preto de 10 millóns de compostos de carbono,[10] e forma parte de tódolosseres vivos coñecidos. Forma o 0,2 % dacodia terrestre. Todas as formas de vida que se coñecen están formadas demoléculas compostas principalmente por carbono,hidróxeno,nitróxeno eosíxeno (ademais de multitude doutros elementos en menor proporción). Este elemento non metálico ten a interesante propiedade de ser quen de enlazarse con el mesmo e cunha ampla variedade doutros elementos.
Ocarbón (do latíncarbo -ōnis, "carbón") foi descuberto polas primeirascivilizacións humanas naprehistoria e coñecíase nas formas detisne (ou feluxe) ecarbón vexetal. Os diamantes coñecíanse probablemente xa no ano 2500 a.C. na China, mentres que o carbono en forma de carbón vexetal producíase arredor da época romana da mesma forma que hoxe en día, queimando madeira nunha estrutura en forma depirámide cuberta dearxila para aislala do aire.[12][13]
En 1722,René Antoine Ferchault de Réaumur demostrou que o ferro se transformaba en aceiro mediante a absorción dalgunha substancia, hoxe coñecida como carbono.[14] En 1772,Antoine Lavoisier demostrou que os diamantes son unha forma de carbono; cando queimou mostras de carbón vexetal e diamante e descubriu que ningún producía auga e que ambos liberaban a mesma cantidade dedióxido de carbono porgramo.
En 1779,[15]Carl Wilhelm Scheele demostrou que o grafito, que fora considerado como unha forma dechumbo, era idéntico ao carbón vexetal pero cunha pequena mestura de ferro, e que daba "ácido aéreo" (o seu nome para o dióxido de carbono) cando se oxida con ácido nítrico.[16] En 1786, os científicos francesesClaude Louis Berthollet,Gaspard Monge e C. A. Vandermonde confirmaron que o grafito era principalmente carbono oxidado en osíxeno do mesmo xeito que Lavoisier fixera co diamante.[17] Tamén quedaba algo de ferro, que os científicos franceses consideraban necesario para a estrutura do grafito. Na súa publicación propuxeron o nomecarbone (latíncarbonum) para o elemento do grafito que se desprendía en forma de gas ao queimarse. Antoine Lavoisier incluíu entón o carbono comoelemento no seu libro de texto de 1789.[16]
Existen xacementos naturais de grafito comercialmente viables en moitas partes do mundo, pero as fontes máis importantes economicamente atópanse naChina,India,Brasil eCorea do Norte.[Cómpre referencia] Os xacementos de grafito son de orixemetamórfico, e atópanse asociados acuarzo,mica efeldespatos en xistos,gneis earenitos ecalcaria metamorfoseadas en forma delente ouveta, ás veces dun metro ou máis de espesor. Ao principio, os xacementos de grafito deBorrowdale,Cumberland,Inglaterra eran o suficientemente grandes e puros como para que, ata o século XIX, oslapis se fabricasen aserrando bloques de grafito natural en tiras antes de envolvelos en madeira. Na actualidade, os xacementos de grafito máis pequenos obtéñense triturando a rocha nai e facendo flotar o grafito máis lixeiro na auga.[22]
Existen tres tipos de grafito natural: amorfo, en escamas ou cristalino e en vetas ou terróns. O grafito amorfo é de menor calidade e máis abundante. Contrariamente á ciencia, na industria "amorfo" refírese a un tamaño de cristal moi pequeno e non á ausencia total de estrutura cristalina. Amorfo úsase para produtos de grafito de menor valor e é o grafito de menor prezo. Grandes depósitos de grafito amorfo atópanse na China, Europa, México e os Estados Unidos. O grafito en escamas é menos común e de maior calidade que o amorfo; preséntase en forma de placas separadas que cristalizaron en rocas metamórficas. O prezo do grafito en escamas pode cuadriplicar o do amorfo. As escamas de boa calidade poden transformarse engrafito expandible para moitos usos, comoretardante de chama. Os xacementos máis importantes atópanse en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemaña eMadagascar. O grafito en vetas ou en anacos é o tipo de grafito natural máis raro, valioso e de maior calidade. Só se extrae comercialmente enSri Lanka.[22]
Segundo oUSGS, a produción mundial de grafito natural foi de 1,1 millóns de toneladas en 2010, o que contribuíron a China con 800.000 t, a India con 130.000 t, o Brasil con 76.000 t, Corea do Norte con 30.000 t e o Canadá con 25.000 t. Non se informou da extracción de grafito natural nos Estados Unidos, pero en 2009 producíronse 118.000 t de grafito sintético cun valor estimado de 998 millóns de dólares.[22]
A cadea de subministración de diamantes está controlada por un número limitado de empresas poderosas e tamén está moi concentrada nun pequeno número de lugares de todo o mundo (véxase o mapa).
Só unha fracción moi pequena do mineral de diamante son diamantes reais. O mineral triturase, durante o cal hai que ter coidado para evitar que os diamantes máis grandes se destruan neste proceso, posteriormente, as partículas clasifícanse por densidade. Na actualidade, os diamantes localízanse na fracción de densidade rica en diamantes con axuda dafluorescencia de raios X, tras o cal realízanse a man os últimos pasos de clasificación. Antes de que se xeneralizase o uso deraios X, a separación realizábase con cintas de graxa; os diamantes teñen unha maior tendencia a adherirse á graxa que os demais minerais damena.[23]
Historicamente sabíase que os diamantes só se atopaban en depósitos aluviais dosur da India.[24] A India liderou o mundo na produción de diamantes desde o momento do seu descubrimento, aproximadamente no século IX a.C[25] ata mediados do século XVIII d. C., pero o potencial comercial destas fontes esgotarase a finais do século XVIII e nese momento a India queda eclipsada poloBrasil onde se atoparon os primeiros diamantes non indios en 1725.[26]
A produción de diamantes en xacementos primarios (kimberlitas e lamproitas) non comezou ata a década de 1870, tras o descubrimento dos campos de diamantes enSuráfrica. A produción aumentou co tempo e desde entón levase extraído un total acumulado de máis de 4.500 millóns de quilates.[27] A maioría dos depósitos de diamantes comercialmente viables estaban enRusia,Botswana,Australia e aRepública Democrática do Congo.[28] En 2005, Rusia produciu case unha quinta parte da produción mundial de diamantes (principalmente no territorio daRepública de Sakha; por exemplo,Pipa Mir ePipa Udachnaya), pero omina Argyle en Australia converteuse na maior produtora, producindo 14 millóns de quilates en 2018.[29][30] Espérase que os novos achados, nas minascanadense deDiavik eEkati, se fagan aínda máis valiosos debido á produción depedras preciosas de alta calidade.[31]
Nos Estados Unidos, atopáronse diamantes enArcansas,Colorado eMontana.[32] En 2004, o sorprendente descubrimento dun diamante microscópico nos Estados Unidos[33] levou á toma de mostras a granel, en xaneiro de 2008, detubos de kimberlita nunha parte remota deMontana.[34]
As minas dos portaminas están feitas degrafito (a miúdo mesturado cun aglutinante arxiloso ou sintético).Varas de vide e carbón vexetetal comprimidoUn pano tecido de fibras de carbonoMostra de carburo de silicio en forma de bóla.OC60 fulereno en forma cristalinaFresas decarburo de volframio
O carbono é esencial para todos os sistemas vivos coñecidos, e sen el non podería existir a vida tal e como a coñecemos. O principal uso económico do carbono, á parte dos alimentos e a madeira, é en forma de hidrocarburos, sobre todo ocombustible fósil gasmetano e opetróleo.O petróleo bruto édestilado enrefinerías polaindustria petroquímica para producirgasolina,queroseno e outros produtos . Acelulosa é unpolímero natural que contén carbono producido polas plantas en forma demadeira,algodón,liño ecánabo. Acelulosa úsase principalmente para manter a estrutura das plantas. Os polímeros de carbono de orixe animal de valor comercial inclúen ala,caxemira eseda. Osplásticos están feitos de polímeros de carbono sintéticos, a miúdo con átomos de osíxeno e nitróxeno incluídos a intervalos regulares na cadea principal do polímero. As materias primas para moitas destas substancias sintéticas proceden do petróleo cru.
Ocarbón vexetal utilízase como material de debuxo en obras dearte, paraasar a carne nasgrellas,fundir ferro e en moitas outras aplicacións. A madeira, o carbón e o petróleo utilízanse comocombustible para producirenerxía ecalefacción. Odiamante de calidade, axema, utilízase en xoiería, e odiamante industrial emprégase en ferramentas de perforación, corte e pulido para o mecanizado de metais e pedra. Os plásticos fabrícanse a partir de hidrocarburos fósiles, e afibra de carbono, obtida porpirólise de fibras sintéticas de poliéster, utilízase para reforzar os plásticos e formarmateriais compostos avanzados e lixeiros.
Afibra de carbono faise por pirólise de filamentos extruídos e estirados depoliacrilonitrilo (PAN) e outras substancias orgánicas. A estrutura cristalográfica e as propiedades mecánicas da fibra dependen do tipo de material de partida, e do procesado posterior. As fibras de carbono feitas a partir de PAN teñen unha estrutura que se asemella a filamentos estreitos de grafito, pero o procesamento térmico pode reordenar a estrutura nunha folla laminada continua. O resultado son fibras cunharesistencia específica á tracción máis alta que o aceiro.[35]
A industria dodiamante divídese en dúas categorías: unha ocúpase dos diamantes de calidade xema e a outra, dos diamantes de calidade industrial. Aínda que existe un gran comercio de ambos os tipos de diamantes, os dous mercados funcionan de forma moi diferente.
A diferenza dosmetais preciosos como oouro ou oplatino, os diamantes xema non se comercializan como unhamercadoría: a venda de diamantes ten unha marxe de beneficio considerable e non existe un mercado moi activo de revenda de diamantes.
Os diamantes industriais valóranse sobre todo pola súa dureza e condutividade térmica, sendo irrelevantes as calidades gemológicas de claridade e cor. Ao redor do 80% dos diamantes extraídos (o que equivale a uns 100 millóns de quilates ou 20 toneladas anuais) non son aptos para o seu uso como pedras preciosas e quedan relegados ao uso industrial (coñecido comobort).[36] Osdiamantes sintéticos, inventados nos anos 50, atoparon aplicacións industriais case inmediatas; cada ano prodúcense 3.000 millóns de quilates (600 toneladas) de diamantes sintéticos.[37]
O uso industrial dominante do diamante é o corte, a perforación, o esmerilado e o pulido. A maioría destas aplicacións non requiren diamantes de gran tamaño; de feito, a maioría dos diamantes de calidade xema, agás polo seu pequeno tamaño, poden utilizarse industrialmente. Os diamantes incrústanse nas puntas dos trades ou nas follas das serras, ou se moen en po para utilizalos en aplicacións de esmerilado e pulido.[38] As aplicacións especializadas inclúen o uso en laboratorios como contención paraexperimentos de alta presión (véxasecélula de bigornia de diamante),rodamentos de alto rendemento e uso limitado enfiestras especializadas.[39][40] Cos continuos avances na produción de diamantes sintéticos, cada vez son máis factibles novas aplicacións. A posibilidade de utilizar o diamante comosemicondutor apto paramicrochips e, debido á súa excepcional condutividade térmica, comodisipador de calor enelectrónica espertou un gran interese.[41]
Diagrama teórico das fases do carbono, de 1989. Traballos máis recentes indican que o punto de fusión do diamante (curva superior dereita) non supera os 9.000 K aproximadamente.[42]
O carbono en estado sólido existe en variosalótropos, entre eles ografito, un material brando, negro e escorregadizo, e odiamante, a substancia máis dura que existe na natureza. Esta variación nas propiedades físicas débese a diferenzas na disposición atómica: o grafito está formado por capas de átomos de carbono dispostos en forma hexagonal, mentres que o diamante presenta unha estrutura tridimensional ríxida.
O seu número atómico é 6, é dicir, dispón de 6protóns nonúcleo, e, en estadoneutro, 6electróns na periferia. A súa masa atómica é de 12um, pois oisótopo máis abundante ten 6neutróns e polo tanto o seunúmero másicoZ é 12). O seu símbolo éC
Quimicamente, o carbono destaca pola súa capacidade de formarenlaces químicos estables con moitos elementos, especialmente con outros átomos de carbono, e é capaz de formar múltiples ligazónscovalentes estables con átomos multivalentes axeitados. O carbono é un elemento compoñente da gran maioría doscompostos químicos, cuns douscentos millóns de exemplos descritos na literatura química publicada.[43] O carbono tamén ten o punto desublimación máis alto de todos os elementos. Apresión atmosférica non ten punto de fusión, xa que o seupunto triplo atópase a 10,8 ± 0,2 megapascals (106,6 ± 2,0 atm; 1 566 ± 29 psi) e 4 600 ± 300 K (4 330 ± 300 °C; 7 820 ± 540 °F), polo que se sublima a aproximadamente 3 900 K (3 630 °C; 6 560 °F).[44][45] O grafito é moito máis reactivo que o diamante en condicións normais, a pesar de ser máis estable termodinamicamente, xa que o seusistema pi deslocalizado é moito máis vulnerable aos ataques. Por exemplo, o grafito pode oxidarse conácido nítrico concentrado quente en condicións normais e converterse enácido melítico. C6(CO2H)6, que conserva as unidades hexagonais do grafito á vez que rompe a estrutura máis grande.[46]
Químicamente, o carbono destaca pola súa capacidade para formarenlaces químicos estables con moitos elementos, especialmente con outros átomos de carbono, e é capaz de formar múltiplesenlaces covalentes estables con átomos multivalentes axeitados. O carbono é un elemento compoñente da gran maioría de todos oscompostos químicos, cuns douscentos millóns de exemplos descritos na literatura química publicada.[43] O carbono tamén ten o punto desublimación máis alto de todos os elementos. Apresión atmosférica non ten punto de fusión, xa que o seupunto triplo atópase en 10,8 ± 0,2 megapascals (106,6 ± 2,0 atm; 1 566 ± 29 psi) e 4 600 ± 300 K (4 330 ± 300 °C; 7 820 ± 540 °F),[47][48] así que sublima a aproximadamente 3 900 K (3 630 °C; 6 560 °F).[44]>[49]
Atópase na natureza en forma libre (diamante, grafito) e noutros compostos, tales como ocarbón, nos carbonatos metálicos, ademais de tódolos compostos orgánicos, xa que é un elemento imprescindible para a vida. Por exemplo, as plantas absórbeno durante o proceso dafotosíntese para transformalo enhidratos de carbono.
O máis importanteóxido de carbono é odióxido de carbono (CO2), un compoñente minoritario da atmosfera terrestre (da orde do 0,04% en peso) producido e usado polos seres vivos (verciclo do carbono). Na auga forma trazas deácido carbónico (H2CO3) pero, do mesmo xeito que outros compostos similares, é inestable, aínda que a través del poden producirseións carbonato estables porresonancia. Algúnsminerais importantes, como acalcita, son carbonatos.
Os outros óxidos son omonóxido de carbono (CO) e o máis raro subóxido de carbono (C3O2). O monóxido fórmase durante a combustión incompleta de materias orgánicas e é incoloro e inodoro. Dado que a molécula de CO contén unenlace triplo, é moi polar, polo que manifesta unha acusada tendencia a unirse áhemoglobina, formando un novo composto moi perigoso denominado Carboxihemoglobina e impedíndollo ao osíxeno, polo que se di que é unasfixiante de substitución. O ioncianuro (CN−), ten unha estrutura similar e compórtase como os iónshaluro.
O carbono puro ten unhatoxicidade extremadamente baixa para o ser humano e pode manipularse con seguridade en forma de grafito ou carbón vexetal. É resistente á disolución ou ao ataque químico, mesmo no contido acedo do tracto dixestivo. Por conseguinte, unha vez que penetra nos tecidos do organismo, é probable que permaneza alí indefinidamente. Onegro de carbón foi probablemente un dos primeiros pigmentos que se utilizaron paratatuar, e descubriuse queÖtzi o home de xeo tiña tatuaxes de carbón que sobreviviron durante a súa vida e durante 5200 anos despois da súa morte.[50] A inhalación de po de carbón ou feluxe (negro de carbón) en grandes cantidades pode ser perigosa, xa que irrita os tecidos pulmonares e provoca a enfermidadepulmonar conxestiva,neumoconiose do traballador do carbón. O po de diamante utilizado como abrasivo pode ser nocivo se se inxere ou inhala. Os gases de escape dos motores diésel producen micropartículas de carbono que poden acumularse nos pulmóns.[51] Nestes exemplos, o dano pode deberse a contaminantes (por exemplo, produtos químicos orgánicos, metais pesados) e non ao propio carbono.
En xeral, o carbono é pouco tóxico para avida na Terra, pero as nanopartículas de carbono son mortais para asmoscas da froita adultas.[52]
O carbón pode arder vigorosa e brillantemente en presenza de aire a altas temperaturas. As grandes acumulacións de carbón, que permaneceron inertes durante centos de millóns de anos en ausencia de osíxeno, podenarder espontaneamente cando se expoñen ao aire nos vertedoiros de residuos das minas de carbón, nas adegas de carga dos barcos, nas carboeiras,[53][54] e nastullas de almacenamento.
Enaplicacións nucleares onde o grafito utilízase comomoderador de neutróns, pode producirse unha acumulación deenerxía Wigner seguida dunha liberación repentina e espontánea. Orecocido a polo menos 250 °C pode liberar a enerxía de forma segura, aínda que noincendio de Windscale o procedemento saíu mal, provocando a combustión doutros materiais do reactor.
↑10,010,1Chemistry Operations (15 de decembro de 2003)."Carbon". Los Alamos National Laboratory. Arquivado dendeo orixinal o 13 de setembro de 2008. Consultado o 26 de xaneiro do 2023.
↑Ferchault de Réaumur, R.-A. (1722).L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé [A arte de converter o ferro forxado en aceiro e a arte de suavizar o ferro fundido ou facer obras de ferro fundido tan acabadas como o ferro forxado.]. París, Chicago.
↑"Carbon". Canada Connects. Arquivado dendeo orixinal o 2010-10-27. Consultado o 27 de xaneiro do 2023.
↑Kroto, H. W.; Heath, J. R.; O'Brien, S. C.; Curl, R. F.; Smalley, R. E. (1985). "C60: Buckminsterfullerene".Nature318 (6042). pp. 162–163.Bibcode:1985Natur.318..162K.doi:10.1038/318162a0.
↑Harlow, G. E. (1998).The nature of diamonds. Cambridge University Press. p. 223.ISBN978-0-521-62935-5.
↑Catelle, W. R. (1911).The Diamond. John Lane Company. p. 159. discussion on alluvial diamonds in India and elsewhere as well as earliest finds
↑Ball, V. (1881).Diamonds, Gold and Coal of India. London, Truebner & Co. Ball was a Geologist in British service. Chapter I, Page 1
↑Hershey, J. W. (1940).The Book Of Diamonds: Their Curious Lore, Properties, Tests And Synthetic Manufacture. Kessinger Pub Co. p. 28.ISBN978-1-4179-7715-4.
↑Janse, A. J. A. (2007). "Global Rough Diamond Production Since 1870".Gems and Gemology. XLIII (Summer 2007). pp. 98–119.doi:10.5741/GEMS.43.2.98.
↑Marshall, Stephen; Shore, Josh (2004-10-22)."The Diamond Life". Guerrilla News Network. Arquivado dendeo orixinal o 2008-06-09. Consultado o 29 de xaneiro do 2023.
↑Lorenz, V. (2007). "Argyle in Western Australia: The world's richest diamantiferous pipe; its past and future".Gemmologie, Zeitschrift der Deutschen Gemmologischen Gesellschaft56 (1/2). pp. 35–40.
↑Cantwell, W. J.; Morton, J. (1991). "The impact resistance of composite materials – a review".Composites22 (5). pp. 347–62.doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V.
↑Haaland, D (1976). "Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon".Carbon14 (6). pp. 357–361.doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
↑Savvatimskiy, A (2005). "Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)".Carbon43 (6). pp. 1115–1142.doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
