Las formas alotrópicas del carbono

Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran variedad materiales de carbón.

Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s²2s²2p², lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp² y sp³.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo.

Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica del carbono poco común: los carbinos. Los carbinos pueden presentar una estructura lineal o cíclica.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp², cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito.

Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son covalentes entre orbitales híbridos sp², mientras que los enlaces entre las láminas son por fuerzas de van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento ABCABC.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp³ cada átomo de carbono se une a otros 4 formando una estructura tridimensional que da lugar a la forma alotrópica del diamante.

El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp² y la sp³ es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C₆₀ (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C₇₆,...C₁₀₀, etc. Los nanotubos de carbono prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas). La nanoespuma de carbono está considerada también como una forma alotrópica del carbono, en la que los átomos de carbono presentan este tipo de hibridación intermedia. En esta forma alotrópica los átomos de carbono se se combinan en hexágonos y heptágonos, dando lugar, al contrario de los fullerenos, a una curvatura inversa. Estas estructuras presentan un electrón desapareado.

Prácticamente todos los carbones tecnológicos presentan la forma alotrópica del grafito. Los diamantes no son carbones propiamente dichos, si bien los carbones sintéticos "tipo diamante" podrían considerarse como un tipo de carbón.

Si aumentamos la escala y nos fijamos ahora en unas cuantas láminas grafíticas (planos basales) podemos dividir a los carbones en: carbones grafíticos (Todo tipo de sustancia formada por el elemento carbono en la forma de grafito, independientemente de la presencia de defectos estructurales), carbones no grafíticos (Todo tipo de sustancia que están constituidas principalmente por el elemento carbono, la estructura presenta un orden bidimensional de átomos de carbón en láminas planas hexagonales, pero no hay ningún orden cristalográfico en la tercera dimensión (dirección c) aparte del hecho de que las láminas sean más o menos paralelas). A su vez, los carbones grafíticos pueden ser: grafitizables (Carbón no grafítico que se convierte en carbón grafítico mediante un tratamiento térmico de grafitización) y no grafitizables (Carbón no grafítico que no se puede trasformar en carbón grafítico mediante un simple tratamiento térmico a temperaturas de hasta 3000 ºC a presión atmosféricas o presiones inferiores a la atmosférica).

Si seguimos aumentando la escala y nos fijamos ahora en como se estructuran los grupos de láminas grafíticas nos encontramos con una gran variedad de tipos de carbones que pueden ir desde el grafito con una simetría plana y altamente orientado hasta el carbón activado en el cual los planos basales son de pequeño tamaño y los apilamientos de estos apenas alcanzan unos pocos planos. Los negros de carbón presentan unidades cristalinas grafíticas ordenadas en forma concéntrica, mientras que la fibras de carbón pueden ser de varios tipos dependiendo del tipo de ordenamiento de los planos grafíticos.

A escala macroscópica los carbones también pueden presentarse en formas muy diversas como granos, polvos, monolitos, fibras, etc.

Datación con carbono 14

La datación con carbono 14 es un procedimiento de determinación de la edad basado en la existencia de isótopos del carbono con masa atómica 14 y no 12 (como en el 99% de los átomos). El carbono-14 (C14) es un radioisótopo del carbono, descubierto en 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. La semivida de éste isótopo es de 5730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

Este procedimiento de datación fue puesto a punto al final de los años 40 por Willard Libby y su equipo de la Universidad de Chicago, por el que obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1960. El método de datación radiocarbónica con carbono 14 es la técnica más fiable para conocer la edad de muestras orgánicas de menos de 60.000 años. Está basado en la ley de decaimiento exponencial de los isótopos radiactivos. El isótopo carbono-14 es producido de forma continua en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por neutrones cósmicos. Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se va transmutando poco a poco en nitrógeno-14 (N14). Estos procesos de generación-degradación de C14 se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el CO2 de la atmósfera. La fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas de manera que la proporción C14/C12 en éstas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de C14 a los tejidos y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en N14 por decaimiento radiactivo.

La masa en isótopo C14 de un ser vivo disminuye a un ritmo exponencial conocido, de forma que a los 5730 años de su muerte la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico se calcula la cantidad de C14 que aún queda en el material, con lo que puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce por edad radiocarbónica o de C14, y se expresa en años BP (Before Present). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo XX, los ensayos nucleares provocaron severas anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera. Por otro lado, la proporción C14/C12 en la atmósfera no es constante en el tiempo, y por tanto las comparaciones deben hacerse con distintos datos en función de la edad del objeto. Al comparar las concentraciones teóricas de C14 con las de muestras de maderas de edades conocidas se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados de hasta un 17%. Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera también ha variado respecto al tiempo. Hoy se conoce con precisión la evolución de la concentración de C14 en los últimos 25.000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante interpolación de datos conocidos. La edad así hallada se denomina edad calibrada y se expresa en años Cal BP.