El enlace en los compuestos del carbono

El carbono contiene seis electrones, los cuales se distribuyen al formar un enlace de la siguiente manera: los primeros dos electrones se alojan en un orbital 1s (que no participa en el enlace), otro electrón se sitúa en el orbital 2s y los otros tres electrones restantes se distribuyen en los tres orbitales 2p (hay promoción de un electrón desde el orbital 2s al orbital 2p). La distribución de estas cargas en torno al núcleo de carbono en cada una de las estructuras moleculares en las que participa puede comprenderse mediante la hibridación de sus orbitales atómicos, la cual puede expresarse mediante la siguiente función de onda: ψ = s + λp.

Los ángulos de enlace dependerán de la proporción relativa λ de los estados p con el estado s. Así, podemos identificar los siguientes tres tipos de hibridación:

hibridacion-carbono

La diversidad de sus orbitales híbridos permite al carbono presentar diferentes formas alotrópicas y algunas de las nanoestructuras más interesantes, como se detallará a continuación:

Diamante

El diamante está formado por átomos de carbono enlazados mediante orbitales híbridos sp3, con una disposición espacial tetraédrica:

estructura-diamante

Cada átomo de carbono forma enlaces covalentes simples (de 0’154 nm de longitud) con otros cuatro átomos de carbono, generando una red cristalina cúbica de enlaces C–C de gran fortaleza. Como resultado, el diamante es la sustancia más dura conocida. Tiene una alta conductividad térmica, no conduce la electricidad y posee un elevado índice de refracción.

Grafito

El grafito es un material anisótropo. Presenta una estructura formada por capas en las cuales cada átomo de carbono se une a otros tres, con una disposición hexagonal que se repite a lo largo de cada lámina.

estructura-grafito

Los enlaces entre átomos vecinos, cuya longitud es de 0’142 nm, se establecen mediante solapamiento frontal entre orbitales híbridos sp2 (enlaces σ) y por deslocalización de los electrones de los orbitales p (enlace π). Las capas del grafito están muy separadas (0’335 nm) y se mantienen mediante débiles fuerzas de tipo van der Waals. Debido a la débil unión entre las láminas, éstas son fácilmente separables, lo que explica su exfoliación, untuosidad y propiedades lubricantes.

La deslocalización electrónica es la causa de su comportamiento como semiconductor en la dirección perpendicular al plano (5 S/cm a 25 ºC, que aumenta con la temperatura) y como conductor metálico en la dirección paralela a los planos (3·104 S/cm a 25 ºC, que disminuye con la temperatura).

Fullerenos

Los fullerenos son otra forma alotrópica estable del carbono. Son estructuras poliédricas constituidas por átomos de carbono con hibridación sp2.

Su nombre se debe a que su forma recuerda a las singulares cúpulas geodésicas creadas por el arquitecto Buckmister Fuller, por lo que a veces también se les denomina buckybolas o buckmisterfullerenos, aunque esta denominación muchas veces hace referencia al C60, el primer compuesto de este tipo que se descubrió.

estructura-fullerenos

El fullereno más sencillo contiene 20 átomos de carbono, pero existen un gran número de fullerenos superiores con grandes pesos moleculares. Además pueden aparecer estructuras con fullerenos contenidos en el interior de otros que se denominan nanocebollas (CNO, carbon nano onions).

Grafeno y nanotubos de carbono

En esencia, cada una de las láminas del grafito, de un átomo de espesor, constituye lo que denominamos grafeno. Es un material bidimensional, cuyas láminas están formadas por anillos hexagonales de átomos de carbono con hibridación sp2.

Cuando una lámina de grafeno se enrolla sobre sí misma se obtiene un nanotubo de carbono (CNT, del inglés carbon nanotube):

estructura-nanotubo-carbono-grafito

Esta estructura cilíndrica puede estar cerrada o abierta en sus extremos. Una descripción más detallada la puedes encontrar aquí.

Otras nanoestructuras de carbono

La inmensa variedad de posibilidades que ofrece el enlace de carbono permite imaginar nanoestructuras con formas cada vez más sorprendentes: nanotubos con forma de canasta, de cuerno, de brotes, toroidales, estructuras fusionadas…

Además, en esta familia de compuestos todos los carbonos superficiales están igualmente expuestos y pueden formar un cuarto enlace con otro átomo, por lo que podemos encontrarnos con multitud de derivados funcionalizados de gran interés.

¿Y el grafino?

El grafino es una nueva forma alotrópica de carbono, que a diferencia del grafeno, presenta hibridaciones sp y simetrías no hexagonales. Si queréis saber un poco más acerca de este compuesto os recomiendo esta otra web.

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