El carbono es un elemento químico esencial para la vida, ya que, aunque solo conforma el 0,09 % de la corteza terrestre, forma largas cadenas carbonadas y es el responsable de los millones de compuestos orgánicos en el planeta. Se lo puede encontrar en estado puro en la naturaleza en tres formas: diamante, grafito y carbono amorfo.
El átomo de carbono es tetravalente, es decir, tiene cuatro electrones en su último nivel de energía. Esta característica lo convierte en un elemento con tendencia a formar cuatro enlaces covalentes y una amplia capacidad de combinación.
alótropos del carbono
El carbono existe puro en la naturaleza en tres formas alotrópicas: diamante, grafito y carbono amorfo; todos son sólidos con puntos de fusión extremadamente altos (alrededor de 4.000 °C) e insolubles en todos los disolventes a temperaturas ordinarias.
¿Sabías qué?
Los alótropos son moléculas formadas por un solo elemento y que tienen distintas estructuras moleculares.
Las propiedades de las tres formas del carbono difieren considerablemente, algunas son las siguientes:
Diamante
Grafito
Carbono amorfo (Antracita)
Fórmula química
C
C
C
Color
Incoloro
Gris
Negro
Raya
Incolora
Gris oscuro
Negro
Dureza (Mohs)
10
1-2
3
Densidad
3,5-3,53 g/cm3
2,09-2,23 g/cm3
1,2-1,8 g/cm3
Conductividad eléctrica
Aislante
Buen conductor
Aislante
Diamante
El diamante es una de las sustancias más duras que se conoce. Es muy apreciado en joyería y en algunas aplicaciones industriales. Sus principales yacimientos se encuentran en la República Sudafricana, Brasil, Zaire, Botswana y Federación Rusa.
Este precioso material se forma por exposición del carbono a presiones de entre 45 y 60 kilobares; y temperaturas que van de 900 a 1.300 °C. Estas condiciones existen tanto en sitios de impacto de meteoritos como en el manto de la litosfera de la Tierra, debajo de las placas continentales estables.
En los diamantes cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en una estructura tridimensional, la cual le provee la mayor dureza de toda la naturaleza.
Grafito
El grafito es una forma alotrópica de carbono más abundante en la naturaleza. Se usa con frecuencia en la fabricación de electrodos, crisoles refractarios, minas de lápices y productos lubricantes. Sus principales yacimientos están ubicados en Sri Lanka, Madagascar, México, Siberia y EEUU; y sus principales productores a nivel mundial son China, India y Brasil.
El grafito está formado por capas de carbono compuestas por anillos hexagonales de átomos de C, capaces de deslizarse una sobre la otra de forma horizontal, lo que facilita la ruptura de los enlaces.
Carbono amorfo
El carbono amorfo no tiene una estructura cristalina o está repleto de irregularidades en su estructura. Puede tener distintos grados de pureza de acuerdo al porcentaje de carbono, como la antracita (90-95 %), la hulla (70-90 %), el lignito (55-75 %) y la turba (50-55 %). Las propiedades físicas y químicas de cada tipo se relacionan directamente con su organización molecular y microestructura.
Puede obtenerse al calentar azúcar purificada a 900 °C en ausencia de aire. Por otro lado, el negro de humo se obtiene al quemar hidrocarburos líquidos con una cantidad de aire insuficiente para producir una llama humeante.
La antracita es un carbón fósil muy rico en carbono, solo tiene alrededor de 5 % de materiales volátiles y una alta potencia calorífica.
Fullereno: una molécula parecida a un balón
El fullereno es una molécula formada exclusivamente por carbono que se encuentra en el polvo interestelar del espacio. Tiene forma similar a la de un balón de fútbol pero su tamaño es muy inferior. Su estructura, al igual que la del grafito, se compone de hojas de anillos hexagonales enlazadas, con la diferencia de que contiene anillos pentagonales y heptagonales, razón por la que la molécula no es plana. Después del diamante y el grafito, los fullerenos son la forma más estable de carbono.
Los términos calor y temperatura son comunes en nuestro vocabulario ya que nos permiten explicar por qué percibimos lo frío de la nieve o lo caliente del agua hirviendo. Estos conceptos pueden diferenciarse y existen escalas para medirlos.
El calor y la temperatura no son lo mismo. El calor es una forma de energía que se transfiere de un material más caliente a otro menos caliente, es decir, es una energía de tránsito. La temperatura, en cambio, es la medida de la cantidad de movimiento de las moléculas de un sistema; es decir, es una medida de la energía térmica. Es sólo una magnitud que miden los termómetros.
¿Qué es la energía térmica?
La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, se produce como consecuencia del movimiento de las partículas que conforman un cuerpo. Entonces, a mayor movimiento de partículas más energía térmica contiene el cuerpo.
¿Sabías qué?
El frío no existe. Realmente un cuerpo se siente frío cuando sus partículas tienen baja energía térmica.
EQUILIBRIO TÉRMICO
Al colocar dos cuerpos con diferentes temperaturas dentro de un sistema aislado, el que tiene mayor temperatura cede calor al cuerpo con menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas.
El equilibrio térmico ocurre debido al intercambio de energía térmica de dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El cuerpo que tiene mayor energía térmica, es decir una temperatura más alta, transfiere calor al cuerpo con menor energía térmica hasta que ambos llegan a la misma temperatura. En ese momento es alcanzado el equilibrio en el sistema.
¿Sabías qué?
El calentamiento global es un alarmante caso de equilibrio térmico con el agua del planeta, ya que ha provocado que los glaciares empiecen a derretirse.
Ejemplos de equilibrio térmico
Cuando un producto se saca de la heladera, al pasar cierto tiempo alcanzará el equilibrio con la temperatura del medio natural.
Al salir de una ducha caliente puede sentirse una sensación de frío porque el cuerpo estaba en equilibrio con la temperatura del agua, y luego entra en equilibrio con la temperatura ambiental.
Al agregar leche fría a una taza de café caliente, el equilibrio térmico se alcanza rápido y el café tendrá una temperatura más baja que al principio.
Para alcanzar el equilibrio térmico, el calor puede ser transferido de un cuerpo a otro de tres maneras distintas:
Conducción
La energía térmica es transferida de un material preferentemente sólido a otro sin transporte de materia. Por ejemplo, podemos calentar un extremo de una barra de metal con fuego y luego de un tiempo veremos que el otro extremo también elevó su temperatura porque el calor es conducido a través de las moléculas que la componen.
Convección
Se transfiere la energía y la materia por una masa fluida. Se produce en materiales que poseen moléculas que se mueven libremente, como el aire o el agua. Por ejemplo, cuando calentamos agua se producen corrientes de convección, es decir, el agua caliente sube y el agua fría baja, lo que genera una corriente.
Radiación
Se transfiere la energía térmica a través de ondas. Es totalmente independiente de la materia y la transferencia puede ocurrir en el vacío. Por ejemplo, cuando colocamos la mano sobre el fuego vamos a sentir el calor porque se transmite por radiación, es decir, a través de las ondas.
Ejemplos de conducción, convección y radiación.
¿EL CALOR SE ABSORBE O SE CEDE?
Cuando refrescamos nuestro cuerpo con botellas de agua fría lo que sucede es que el calor corporal es cedido al de la botella que tiene una temperatura más baja.
El calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura al que tiene menor temperatura, de manera que el primero cede calor, en tanto el segundo absorbe el calor. Por ejemplo, cuando una persona se sumerge en el mar le está cediendo calor al mismo, ya que la temperatura corporal de la persona (37 °C) es mayor que la temperatura del mar (< 30 °C).
¿QUÉ ES LA TERMODINÁMICA?
Es el estudio de la transferencia de calor y los cambios que resultan de ella. La comprensión de la transferencia de calor es crucial para analizar un proceso termodinámico, como los que tienen lugar en los motores térmicos y las bombas de calor.
Existen tres factores que influyen en la manera que un cuerpo cede o absorbe el calor:
La variación de la temperatura. Un cuerpo necesita absorber más calor para aumentar su temperatura en 50 °C que para un incremento de sólo 5 °C.
La masa del cuerpo. Se necesita más calor para hervir 1 kg de agua que para hervir 200 g de agua.
La naturaleza del cuerpo. Al calentar dos cuerpos de igual masa, pero de diferente material, se necesitan cantidades diferentes de calor para elevar su temperatura en igual proporción.
ESCALAS DE TEMPERATURA Y EQUIVALENCIAS
La temperatura es una medida de la energía térmica. Esta magnitud se mide con un termómetro y existen varias unidades de medida para hacerlo:
Grado centígrado o Celsius (°C)
La escala fue propuesta por el físico Anders Celsius en el siglo XVIII. Tomó también el nombre de “centígrados” debido a que la escala es dividida en 100 partes iguales al tomar como referencia los puntos de fusión y ebullición del agua (temperatura a la cual se funde y se hierve).
Grado Fahrenheit (°F)
La escala fue creada por el físico Gabriel Daniel Fahrenheit en el año 1724. Es más utilizada en los países anglosajones y divide en 180 partes iguales a la temperatura entre la cual se funde y se hierve el agua.
Kelvin (K)
La escala fue propuesta por el físico y matemático William Thomson Kelvin en 1848. Es empleada para estudios de termodinámica. El cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, a -273,15 °C. La magnitud de su unidad, se define como igual a un grado Celsius, es decir, un Kelvin es equivalente a esa temperatura en escala Celsius, la más conocida.
Las equivalencias entre estas escalas son las siguientes:
Fahrenheit a Celsius
Celsius a Kelvin
Celsius a Fahrenheit
Kelvin a Celsius
Fahrenheit a Kelvin
Kelvin a Fahrenheit
CONDUCTORES Y AISLANTES TÉRMICOS
Termos
También llamados frascos de vacío o botella de Dewar, son contenedores aislantes creados de tal manera que pueden reducir la transferencia por conducción o convección. De este modo, su contenido mantiene por más tiempo su temperatura en su interior.
Materiales conductores
Son aquellos que permiten la transmisión de calor y se utilizan en la fabricación de hornos y utensilios de cocina, como ollas y sartenes. También se usan en la manufactura de radiadores.
En general, los metales son excelentes conductores de calor, en especial el aluminio, el cobre, el hierro y el oro.
¿Sabías qué?
El sodio, magnesio, potasio y el calcio son metales que se encuentran en la naturaleza y presentan una baja conductividad.
El diamante es el mejor conductor térmico.
Materiales aislantes
Son aquellos que no permiten la fácil transmisión de calor. Son utilizados en la fabricación de los trajes ignífugos que usan los bomberos. Asimismo, se emplean en el recubrimiento de diferentes tipos de construcciones y en la elaboración de termos.
La conductividad térmica es la cualidad que tienen ciertos materiales de traspasar calor a través de ellos. La cantidad de calor necesario por m2 está determinado por el coeficiente de conductividad térmica (λ).
A continuación se muestra una tabla referida a la capacidad de algunos materiales para transmitir el calor.
Material
λ
Acero
47-58
Agua
0,58
Aire
0,02
Alcohol
0,16
Alpaca
29,1
Aluminio
237
Bronce
116-186
Corcho
0,03-0,04
Material
λ
Diamante
2.300
Glicerina
0,29
Hierro
80,2
Ladrillo
0,80
Madera
0,13
Oro
308,2
Tierra húmeda
0,8
Zinc
106-140
RECURSOS PARA DOCENTES
Video “Intercambio de calor”
En este video se explica mediante problemas cómo se intercambia el calor en los cuerpos.
Desde la antigüedad se clasifican sustancias en base a su sabor o a la sensación que generan en la piel, este es el caso de los ácidos y las bases. Ambas forman soluciones de electrólitos y son capaces cambiar el color de ciertas compuestos. Con el propósito de dar una explicación al comportamiento físico y químico de los ácidos y bases se han propuesto diversas teorías llamadas teorías ácido-base.
Ácido
Base
Concepto según la teoría de Arrhenius
Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidrógeno H+.
Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidroxilo OH-.
Concepto según la teoría Brønsted-Lowry
Especie capaz de ceder iones H+.
Especie capaz de aceptar iones H+.
Concepto según la teoría de Lewis
Sustancia capaz de aceptar un par de electrones.
Sustancia capaz de donar o ceder un par de electrones.
Rango de pH
0 a 6
8 a 14
Sabor
Agrio.
Amargo.
Viraje de color en papel tornasol
Cambia a color rojo el papel azul.
Cambia a color azul el papel rojo.
Neutraliza
Bases.
Ácidos.
Viraje de color en fenolftaleína
Cambia de rojo a incoloro.
Cambia de incoloro a rosado.
Reactividad
Reacciona con metales, como el magnesio, zinc o hierro.
No reacciona con metales. Reacciona con los ácidos.
Conductividad eléctrica
Conductor eléctrico en solución acuosa.
Conductor eléctrico en solución acuosa.
Al tacto
Son punzantes, queman la piel.
Son jabonosos.
Ejemplos
Ácido sulfúrico (H2SO4), presente en las baterías.
Ácido clorhídrico (HCl), presente en el estómago.
Ácido fosfórico (H3PO3), presente en algunas bebidas gaseosas.
Ácido nítrico (HNO3), presente en los fertilizantes niitrogenados.
Ácido acético (CH3COOH), componente principal del vinagre.
Hidróxido de sodio (NaOH), presente en limpiadores de tuberías de desagües.
Hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), presente en la leche magnesia.
Hidróxido de calcio (Ca(OH)2), también llamada cal, con múltiples usos industriales y en construcción.
Hidróxido de aluminio (Al(OH)3), presente en los antiácidos.
Amoniaco (NH3), presente en fertilizantes y limpiadores.
Los enlaces químicos son las interacciones que existen entre los átomos que conforman una molécula. Estas interacciones son de naturaleza variable, es decir, no son iguales para todos los compuestos y depende de las características propias de cada átomo que forma el enlace. Los enlaces químicos pueden ser iónicos o covalentes.
Enlace iónico
Enlace covalente
Tipo de unión
Por electrones transferidos.
Por electrones compartidos.
Átomos implicados
Metálicos con no metálicos.
No metálicos con no metálicos.
Atracción entre:
Iones (átomos con carga positiva o cationes, y átomos con carga negativa o aniones).
La materia está formada por elementos cuya unidad fundamental es el átomo. Estos elementos se organizan en la tabla periódica y pueden clasificarse como metales, metaloides y no metales. Cada categoría presenta una química muy particular con propiedades características que permiten diferenciarlas.
Metales
Metaloides
No metales
Estado físico
Sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio (Hg) y el francio (Fr), que son líquidos.
Sólidos a temperatura ambiente.
Sólidos, como el carbono (C); líquidos, como el bromo (Br); y gaseosos, como el oxígeno (O).
Apariencia
Tienen brillo metálico. La mayoría son plateados, excepto el cobre (Cu) que es rojizo y el oro (Au) que es amarillo.
La mayoría tiene brillo metálico.
No tienen brillo metálico. Se presentan de diversos colores: el bromo (Br) es rojo y el azufre (S) es amarillo.
Abundancia en la Tierra
Baja. A pesar de que el
79 % de los elementos existentes son metales, en la Tierra éstos son los menos abundantes.
Algunos son abundantes en la corteza terrestre como el silicio (Si), y otros son muy raros de encontrar, como el polonio (Po).
Alta. A pesar de que el 21 % de los elementos existentes son no metales, son los más abundantes en nuestro planeta.
Presentes en el cuerpo humano
Na y K: ayudan a transportar oxígeno.
Ca: fortalece los huesos.
Mg: ayuda a la coagulación de la sangre.
Fe: asimila el oxígeno en la sangre y produce hemoglobina.
Cu: combate la anemia.
Zn: ayuda a metabolizar carbohidratos y fortalece el sistema inmune.
Presentes en concentraciones mínimas.
O: indispensable para la respiración.
C: presente en todas la biomoléculas.
H: presente en casi todas las biomoléculas.
N: presente en las proteínas y en los ácidos nucleicos.
P: presente en los ácidos nucleicos, en el ATP de las moléculas. Forma dientes y huesos.
S: forma parte de diversas proteínas.
Propiedades mecánicas
Son muy dúctiles y maleables.
Son intermedios entre los metales y los no metales.
No son dúctiles ni maleables. Gran parte de ellos son duros y quebradizos.
Conductividad
Son buenos conductores de electricidad y calor.
Son semiconductores.
Son malos conductores de electricidad y calor.
Punto de fusión y ebullición
Relativamente altos.
Altos respecto a los no metales.
Relativamente bajos.
Capa de valencia
Átomos con capa de valencia ocupada con pocos electrones, generalmente dos o tres.
Átomos con capa de valencia ocupada con tres electrones.
Átomos con capa de valencia ocupada con cuatro o más electrones, excepto el helio y el hidrógeno.
Electronegatividad
Baja
Intermedia
Alta
Reactividad
Tiende a perder electrones cuando se combina con otros elementos. Se convierten en cationes.
Reactividad química variada. Se pueden comportar como metales o no metales.
Tienden a ganar electrones cuando se combinan con otros elementos. Se convierten en aniones.
Ubicación en la tabla periódica
Ejemplos
Litio (Li), sodio (Na), cromo (Cr), cobre (Cu), plata (Ag), oro (Au), platino (Pt), calcio (Ca), mercurio (Hg), hierro (Fe) y aluminio (Al), entre otros.
Boro (B), silicio (Si), germanio (Ge), arsénico (As), antimonio (Sb), polonio (Po), telurio (Te), astato (At) y selenio (Se).
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