1° EDICIÓN
FECHA 10/15/2014
MOLéCULAS DE CARBONO
BY:
SIMÓN ARISTIZÁBAL GIRALDO
GIMNASIO LOS ALCÁZARES JORNADA ADICIONAL
Medellín 2014
Moléculas de carbono 1° EDICIÓN
FECHA 10/15/2014
índice Página
Que es el carbono?
1
Carbono 14
2
Historia
3-4
Isótopos
5
Tipos de carbonos
6-7
Carbono elemento base de la vida
8
Carbono en estado libre
9
Grafeno
10
Como es el grafeno?
11
Utilidades del Grafeno
12
Obtención del Grafeno
13-14
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QUE ES EL CARBONO? El carbono es un elemento químico de número atómico 6. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación puede encontrarse en la naturaleza en forma cristalina, como es el caso del grafito, el diamante y la familia de los fullerenos y nanotubos de carbono; o bien en forma amorfa (negro de humo). Es el pilar básico de la química orgánica y forma par-
te de todos los seres vivos.
punto de vista económico, uno de los maEl carbono es un ele- teriales más baratos (carbón) y uno de los mento notable por más caros varias razones. Sus (diamante). Más aún, formas presenta una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos pequeñ os, incluyendo otros átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y su pequeño raalotrópicas incluyen, dio atómico le permisorprendentemente, te formar una de las sustancias más blandas (el grafi- enlaces múltiples. to) y la más dura (el diamante) y, desde el
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Carbono 14 El carbono 14 es un isótopo del carbono que se forma en las partes altas de la atmósfera, a partir del nitrógeno. Por tanto, el carbono 14, está presente en la atmósfera.
La masa de carbono 14 de cualquier fósil disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido. Se sabe que a los 5.730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de carbono 14 en sus restos Las plantas, cuando hacen la fo- fósiles se ha reducido a la mitad y que a los 57.300 años es de tan tosíntesis, fijan en su interior sólo el 0,01 % del que tenía carbono, y en él se incluye el isó- cuando estaba vivo. topo llamado carbono 14. Sabiendo la diferencia entre la Midiendo la cantidad proporción de carbono 14 que de carbono 14 y de nitrógeno debería contener un fósil si aún que hay en el fósil, se puede coestuviese vivo (semejante a la de nocer la edad aproximada de ese la atmósfera en el momento en fósil. el que murió) y la que realmente contiene, se puede conocer la fecha de su muerte.
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Historia LA TEORÍA de la gran explosión como origen del Universo concibe la formación del átomo de carbono (peso atómico = 12) en el interior de las estrellas mediante la colisión de tres átomos de helio (peso atómico = 4).
La generación del carbono y de los átomos más pesados se dio en el interior de las estrellas antes de la formación de nuestro Sistema Solar, cuyo nacimiento, a partir de materiales cósmicos, polvo y gas provenientes de los restos de estrellas que explotaron, se remonta a un pasado inimaginable: algo así como 4 600 millones de años.
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Cuando la tenue nube de polvo y gas fue comprimida por la onda de choque producida por la explosión de una estrella de las llamadas supernovas, se formó la nebulosa en cuyo centro la materia se concentró y calentó hasta producir nuestro Sol. Rodeando al Sol, la materia fue siendo cada vez mas fría y sus elementos constitutivos más ligeros. Con este material se formaron los planetas y sus lunas.
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ISóTOPOS Cuando la colisión se efectúa entre átomos y neutrones se obtienen átomos con idéntico número atómico, pero diferente peso molecular, a los que se les llama isótopos. El primero de ellos, el fósforo 30, fue preparado por Frédéric e Irene Joliot Curie en 1935. Desde entonces, el hombre ha preparado más de 1 900 isótopos de diferentes elementos, muchos de ellos radiactivos.
Cualquier elemento natural o sintético es identificado por su número atómico Z, que corresponde al número de protones que lleva en su núcleo. Cada elemento puede tener un número variable de isótopos. El hidrógeno, que posee un protón y un electrón, tiene además un isótopo estable, cuyo núcleo está formado por un protón y un neutrón. A este isótopo con peso atómico de dos se le llama deuterio.
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Tipos de carbonos El carbono es sólo uno, es un elemento tetravalente con posibles combinaciones infinitas y que por eso dividió él solo la química, en orgánica (todos los compuestos a base de carbono excepto el CO y CO2
Antracita: Fue formado durante miles de años a presión y altas temperaturas, es el carbón con más alto rango que hay, es negro, fuerte, poco volátil, 95% de carbono y de uso industrial primordial. Pero por su calidad, es algo escaso y hace menos ignición que el carbón bituminoso que abarca más industria.
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Carbon bituminoso: Este puede ser bajo, medio y alto volátil, mientras más volátil, menos rango, pero es procesado y utilizado en las industrias, por su alto índice de ignición, puede presentar 75-90% de carbono, es marrón a negro.
Carbón sub-bituminoso: Menos rango que los bituminosos, es decir, menos % de carbono, más materia volátil y más porcentaje de agua
Lignito: Este carbón se forma por compresión de la turba y tiene 60-75% de carbono, menos contenido de agua que la turba y combustible de mediana calidad.
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Carbono elemento base de la vida El carbono, elemento base de la vida, se encuentra en la corteza terrestre en una proporción de 0.03%, ya sea libre o formando parte de diversas moléculas. Como era de suponerse, el carbono se encuentra también en los demás planetas de nuestro Sistema Solar, ya que todos fueron formados a partir de la misma nebulosa. Se ha comprobado su existencia en meteoritos y en las muestras de piedras traídas de la Luna.
En la Tierra se le encuentra: libre en forma de diamante o de grafito; combinado, formando parte de diversas moléculas orgánicas como la celulosa de la madera, el algodón y el azúcar; formando parte de sustancias inorgánicas como el mármol, que químicamente es el carbonato de calcio (CaCO3), el bicarbonato de sodio o polvo de hornear (NaHCO3) y, en la atmósfera terrestre, como bióxido de carbono (C02). Éstos, a su vez, oxidarán la materia orgánica, liberando bióxido de carbono (CO2) para completar el ciclo de la vida.
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El carbono en estado libre Alotropía es una palabra griega que significa variedad. El diamante es, por tanto, uno de los alótropos del carbono. Debido a las diferencias que existen en las uniones entre los átomos del diamante y los del otro alótropo del carbono, el grafito, ambos tienen propiedades completamente diferentes. Así, mientras el primero es el más duro de los materiales conocidos, el segundo es un material blando que se usa como lubricante y para escribir o dibujar, es decir, es el material de que está hecho el corazón de los lápices. De la misma forma, el diamante es más pesado que el grafito, pues la densidad del primero es de 3.5 g/cm3 y la del segundo de 2.3 g/cm3. Como ambas sustancias están formadas tan sólo por átomos de carbono, como antes veíamos, la diferencia en propiedades físicas se debe al modo de unión entre sus átomo.
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Grafeno A partir del carbono se consigue el grafeno. Este material surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se agrupan de forma muy densa en láminas de dos dimensiones 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? Porque es una superficie plana, de dos dimensiones, como el grafeno.
El grafeno se obtiene a partir de una sustancia abundante en la naturaleza, el grafito.
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.
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Como es el grafeno? El grafeno es un material que combina una gran cantidad de propiedades que no se dan juntas en cualquier otro compuesto. ¿Qué significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique.
duro, resistente, flexible y muy ligero; lo que permite moldearlo según las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad; y permanece en condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones.
Y es que es un material muy
Su futuro en terrenos como la
medicina se presenta realmente prometedor. ¿Un ejemplo de en qué se podría usar? En las máquinas con las que se realizan las radiografías. Éstas funcionan mediante radiaciones ionizantes, unas formas de energía que hacen que los materiales que se encuentran a su alrededor se desgasten muy pronto. Pues bien, el grafeno ofrecería una duración casi infinita, por lo que la inversión que habría que realizar en la adquisición del material sería, a la larga, mucho menor.
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Utilidades del grafeno Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes. Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar. No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades.
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Obtención de grafeno La respuesta es sencilla. Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible. Con el método tradicional de obtención a base de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mínima y resulta insuficiente para su uso industrial.
otros métodos para su obtención enfocados en aumentar la cantidad producida no consiguen un producto con la calidad suficiente. Actualmente, se comercializa el grafeno bajo dos formas: En lámina y en polvo. ¿En qué se diferencian?
Por otro lado, el empleo de
• Grafeno en lámina: es de alta calidad y se emplea en campos como la electrónica, la informática o incluso la aeronáutica, donde se requiere un material muy resistente. Su producción es actualmente muy costosa.
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Obtención de grafeno • Grafeno en polvo: se usa en aquellos ámbitos que no requieren de un material de alta calidad. Su proceso de obtención es más barato y permite una mayor producción del pro-
ducto, pero renunciando a parte de sus propiedades. El siguiente gran reto en la historia de este mineral es la búsqueda de un método de obtención que supere esta barrera. Diversos
equipos de científicos en todo el mundo dedican sus esfuerzos a este fin y aunque los resultados obtenidos son prometedores, aún queda camino por recorrer.