Diez datos sobre el carbono, la base de la química de la vida

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El carbono es un elemento esencial para la vida, pues es el principal constituyente de todos los compuestos orgánicos. Puede estar en forma elemental formando carbón o diamantes, y puede formar compuestos inorgánicos, como el dióxido de carbono (CO2), molécula fundamental en los procesos de captación de energía solar por parte de las plantas y en los procesos de liberación de energía por combustión. El carbón activado, las fibras de carbono, los nanotubos y el grafeno son algunos de los compuestos y materiales que tienen al átomo de carbono como integrante fundamental.

Átomo de carbono.
Átomo de carbono.

El átomo de carbono tiene 6 protones en su núcleo y 6 electrones en su entorno, por lo que su número atómico es 6. El isótopo más abundante en la naturaleza es el que además tiene 6 neutrones en su núcleo, el 12C, y desde 1961 se usa este isótopo para medir la masa atómica de todos los elementos, tomando como unidad la doceava parte de la masa del 12C. El 98.89 % de los átomos de carbono en la naturaleza son 12C, pero también existe el isótopo que tiene un neutrón más en el núcleo, el 13C, que completa la composición natural con el 1.1 %. Otro isótopo importante del carbono es el 14C, un isótopo radiactivo que decae con un período de semidesintegración de 5730 años. El 14C se produce en la atmósfera como consecuencia de la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos, y a partir de su producción se integra a los procesos y productos orgánicos, por lo que transforma en un reloj natural que permite el fechado de tejidos y materiales que contengan carbono en un rango que va entre 1000 y 50000 años.

Veamos a continuación diez datos sobre el carbono.

  • El carbono es un elemento no metálico que puede unirse a sí mismo y formar una inmensa variedad de compuestos químicos, cantidad que se estima más de diez millones.
  • Al igual que todos los elementos, el carbono se produjo en las estrellas a través de reacciones de fusión nuclear. En las primeras fases de su desarrollo las estrellas producen energía por reacciones de fusión de los átomos de hidrógeno que producen helio, como es el caso del Sol. Cuando la mayor parte del hidrógeno se ha convirtido en helio, la energía que se produce en la reacción no puede equilibrar la fuerza gravitatoria y la estrella se compacta en su núcleo, mientras que su sector externo se expande. Cuando culmina el proceso, la temperatura del núcleo alcanza temperaturas del orden de los 100 millones de Kelvin y se produce una reacción denominada triple alfa, en la que tres núlceos de helio generan un átomo de carbono. Procesos posteriores pueden generar otros elementos o dispersar los elementos producidos, generando planetas u otros cuerpos que tendrán un cierto contenido de carbono.
Esquema de las reacciones triple alfa que producen el carbono en las estrellas.
Esquema de las reacciones triple alfa que producen carbono en las estrellas.
  • El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo, tras el hidrógeno, el helio y el oxígeno, y es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre.
  • El carbono elemental puede tomar la forma de uno de los materiales más duros y caros que existen, el diamante, o formar uno blando y barato, el grafito. El diamante y el grafito son dos formas alotrópicas del carbono pero en el diamante los átomos se ordenan en una estructura cristalina cúbica que se forma en condiciones de presión y temperatura extremas, mientras que en el grafito los enlaces covalentes forman estructuras cristalina hexagonales ordenadas en planos superpuestos.
Estructura cristalina del diamante (izquierda) y del grafito (derecha).
Estructura cristalina del diamante (izquierda) y del grafito (derecha).
  • En vacío o en una atmósfera libre de oxígeno, el diamante se convierte en grafito a los 1700 grados centígrados. En el aire la trasformación comienza alrededor de los 700 grados centígrados. El punto de fusión del grafito es 3600 grados centígrados.
  • Los compuestos alotrópicos de carbono tienen diversos usos. El diamante es una piedra preciosa que también tiene aplicaciones industriales por su extrema dureza. El grafito se utiliza mezclado con una pasta en la mina de los lápices. También se usa como lubricante sólido y como elemento protector contra la oxidación. El grafito puede ser un componente de ladrillos refractarios y de crisoles. Se fabrican con grafito diversas piezas de ingeniería, como pistones, juntas de cilindro, arandelas o rodamientos. Debido a su buena conductividad eléctrica y a su resistencia a los ataques químicos, se usa para fabricar electrodos y en otras aplicaciones eléctricas, como carbones y escobillas de motores eléctricos. Debido a su capacidad de moderación de neutrones y su baja absorción neutrónica, se utiliza en reactores nucleares como moderador sólido o reflector de neutrones.
  • El carbono es el elemento base de la química orgánica, también llamada química del carbono. Todas las moléculas orgánicas contienen carbono. Las más sencillas forman distintos enlaces entre sí y se combinándo únicamente con átomos de hidrógeno, mientras que las más complejas incluyen átomos de oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre, alcanzando los más altos niveles de complejidad en las moléculas de ARN (ácido ribonucleico) y de ADN (ácido desoxirribonucleico). La gran cantidad de compuestos orgánicos se debe a que el átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, por lo que necesita otros cuatro para conformar un estado estable según la regla del octeto. De esta forma tiene cuatro enlaces disponibles para combinarse mediante enlaces covalentes con otros elementos o con otros átomos de su misma especie.
Estructura de una molécula de aminoácido. El carbono en gris, el nitrógeno en violeta, el oxígeno en rojo y el hidrógeno en celeste.
Estructura de una molécula de aminoácido. El carbono en gris, el nitrógeno en violeta, el oxígeno en rojo y el hidrógeno en celeste.
  • Los polímeros forman parte de nuestra vida cotidiana de muy diversas formas. Los polímeros naturales, es decir, los biopolímeros, al igual que gran parte de los polímeros artificiales, son compuestos de carbono. Los biopolímeros son componentes fundamentales de la vida. Los lípidos son biopolímeros, triglicéridos cuyos monómeros son el glicerol y los ácidos grasos. Y las proteínas son polipéptidos cuyos monómeros son los aminoácidos. Otro ejemplo son los ácidos nucleicos. El ADN y el ARN, cuyos monómeros son nucleótidos que a su vez se componen de bases nitrogenadas, de ribosa, que es un azúcar (un monosacárido denominado pentosa), y de un grupo fosfato. Los carbohidratos también son biopolímeros. Polisacáridos, como la celulosa y el almidón, y disacáridos, como la sacarosa (el azúcar común) y la lactosa, son polímeros cuyos monómeros son monosacáridos, azúcares simples, siendo el monosacárido más común la glucosa. El biopolímero más abundante es la celulosa, formando la mayor parte de la biomasa de la Tierra al ser un constituyen de la pared celular de la mayoría de los vegetales. Se la encuentra en su forma más pura en el algodón y es el principal componente del papel y de muchos otros productos que utilizamos en forma cotidiana. Entre los polímeros artificiales el que conlleva el proceso de formación más sencillo es el polietileno, un plástico ampliamente difundido y utilizado. El monómero del polietileno es el etileno, una molécula orgánica sencilla que tiene dos átomos de carbono unidos por un doble enlace junto a dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. Si se rompe el enlace doble, cada uno de los átomos de carbono tiene un enlace covalente disponible para unirse a otros átomos, constituyendo la unidad estructural que formará el polímero. La unión repetida de ésta unidad estructural genera una larga molécula lineal, sin ramificaciones, que es el polietileno. Otros ejemplos de polímeros artificiales compuestos por carbono son el poliestireno y el Mylar, plásticos con múltiples aplicaciones.
Formación de la celulosa a partir de la polimerización de la beta glucosa.
Formación de la celulosa a partir de la polimerización de la beta glucosa.
  • Uno de los materiales más resistentes que se pueden fabricar es la fibra de carbono. También llamada fibra de grafito, la fibra de carbono es una fibra sintética compuesta a partir de filamentos muy finos, de 5 a 10 micrones de diámetro, de un polímero cuyo elemento principal es el carbono. Entretejiendo y procesando miles de estos delgados filamentos se obtiene una fibra de carbono. Estos filamentos tienen una alta resistencia a la tracción, por lo que son extremadamente fuertes dado el grosor que tienen. El nanotubo de carbono es considerado el material más resistente que se puede fabricar, y en general se considera que las fibras de carbono tienen propiedades similares al acero, siendo mucho más liviano y con una densidad similar a la madera o a un plástico. Son múltiples las aplicaciones de las fibras de carbono. En la construcción, en la tecnología aeroespacial, en vehículos de alto rendimiento, en diversas aplicaciones de ingeniería, en equipos deportivos, en instrumentos musicales, etcétera.
Diseño de automóvil con fibra de carbono desarrollado por John Hart y Mircea Dinca en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en un proyecto conjunto con Automobili Lamborghini.
Diseño de automóvil con fibra de carbono desarrollado por John Hart y Mircea Dinca en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, en un proyecto conjunto con Automobili Lamborghini.
  • El ciclo del carbono es una secuencia de eventos esenciales para la vida en la Tierra. Los procesos del ciclo de carbono se agrupan en los procesos de la atmósfera, los de la biosfera terrestre, los procesos en los océanos, en los sedimentos, incluyendo los combustibles fósiles y los sistemas de agua dulce, y los procesos en el interior de la Tierra. En la atmósfera, el carbono se encuentra principalmente en la forma de dióxido de carbono y metano. El dióxido de carbono se extrae de la atmósfera a las biosferas terrestres y marinas a través de la fotosíntesis, y también se disuelve en los cuerpos de agua formando ácido carbónico. El carbono en la biosfera terrestre incluye el carbono orgánico de todos los organismos vivos y muertos, además del carbono almacenado en los suelos. La mayoría del carbono de la biosfera terrestre es orgánico, mientras que un tercio está en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio. El carbono evade la biosfera terrestre por combustión y por la respiración, aunque también puede ser exportado a los sistemas marinos a través de los ríos, o retenido en los suelos como carbono inerte. Los sistemas marinos contienen la mayor cantidad de carbono asociado a su ciclo biogeoquímico. La principal forma de ingreso de carbono a los sistemas marinos es por disolución del dióxido de carbono atmosférico, que luego se convierte en carbono orgánico a través de la fotosíntesis que desarrollan los organismos marinos.
Esquema del ciclo de carbono.
Esquema del ciclo de carbono.

Fuentes

Anna Demming. King of the elements? Nanotechnology No. 21, 2010.

J. L. Sarmiento, N. Gruber. Ocean Biogeochemical Dynamics. Princeton University Press, Princeton, Nueva Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Carbono. El elemento con múltiples personalidades. Revista ¿Cómo ves?, Universidad Nacional Autónoma de México, 2019.

R. J. Young, P. A. Lovell Introduction to Polymers. Tercera edición. Boca Ratón, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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