Átomo de carbono: qué es, características, estructura, hibridación

¿Qué es el átomo de carbono?

El carbono es el elemento número 6 de la tabla periódica y es uno de los elementos más importantes que existe. Su importancia surge de una química muy rica y variada que hace que este elemento forme la base de la vida en el planeta Tierra, tal como la conocemos.

Se trata de un no metal perteneciente al grupo 14 de la tabla periódica (antiguamente grupo 4A) y al segundo período. En su forma natural, se asocia al carbón (tanto mineral como vegetal) y al hollín, en los que se encuentra principalmente en forma de grafito u otro alótropo.

El átomo de carbono se encuentra entre los más pequeños de la tabla periódica. Es un átomo tetravalente, es decir, que puede formar hasta cuatro enlaces con otros átomos iguales o distintos al mismo.

El carbono es de gran importancia para los seres humanos. Es uno de los principales componentes de nuestro cuerpo, formando más del 19% de su masa. Además, también tiene múltiples aplicaciones tecnológicas derivadas de sus propiedades atómicas.

Características del átomo de carbono

– El átomo de carbono es un no metal: el carbono es un elemento no metálico que puede combinarse con muchos otros elementos de la tabla periódica. Los átomos de carbono pueden adquirir o ceder electrones a otros átomos, convirtiéndose en aniones o cationes respectivamente.

– Posee 6 protones en su núcleo: el número atómico del carbono es 6, lo cual quiere decir que posee 6 protones en su núcleo. También significa que un átomo de carbono neutro posee 6 electrones alrededor del núcleo.

– Pertenece al bloque p de la tabla periódica: la configuración electrónica del carbono en su estado fundamental es 1s² 2s² 2p². Como se puede ver, los últimos electrones de valencia se ubican en orbitales p, por lo que el carbono pertenece al bloque p de la tabla periódica.

– Las valencias del átomo de carbono son +2, +4 y -4: a la capa de valencia del carbono le faltan solo 4 electrones para llenarse completamente y así adquirir la configuración electrónica del gas noble neón. Por esta razón, el carbono puede formar el anión carburo, C^4–, el cual posee 4 electrones más que el carbono neutro. Por otro lado, el átomo de carbono también puede perder los dos electrones 2p, convirtiéndose así en el catión carbonoso (C²⁺), o todos los 4 electrones de valencia, convirtiéndose en el catión carbónico (C⁴⁺).

– Puede formar múltiples alótropos: el carbono elemental puede encontrarse en dos formas naturales comunes que son el grafito y el diamante, que tienen propiedades radicalmente opuestas. Además, puede formar distintos fulerenos, nanotubos de carbono y grafeno.

Los tres isótopos del átomo de carbono

Todos los átomos de carbono poseen seis protones en su núcleo, pero no todos tienen el mismo número de neutrones, dando origen a tres isótopos:

• Carbono-12 (¹²C): es el más estable y abundante (aproximadamente 98,9%). Posee 6 neutrones en su núcleo.
• Carbono-13 (¹³C): posee 7 neutrones.
• Carbono-14 (¹⁴C): es radiactivo ys e utiliza para el fechaje de objetos antiguos.

Estructura electrónica del átomo de carbono

Como todo átomo de carbono posee seis protones positivos en su núcleo, entonces posee también 6 electrones con carga negativa girando a su alrededor.

La forma en que estos electrones están distribuidos o la configuración electrónica del átomo de carbono es:

Esta configuración electrónica nos indica que el carbono posee 2 electrones en el orbital 1s, dos electrones en el orbital 2s, y dos electrones distribuidos entre los tres orbitales 2p.

Por otro lado, la capa de valencia para el carbono es la capa L, que corresponde al nivel n=2, ya que es la capa de nivel más alto que contiene electrones. Como podemos ver, el carbono posee en total 4 electrones en el nivel 2, por lo que decimos que posee 4 electrones de valencia.

Esta es la razón por la que el carbono se ubica en el que antes se llamaba grupo 4A de la tabla periódica.

Hibridación de orbitales atómicos en el átomo de carbono

Los átomos reaccionan y se enlazan entre sí a través de sus electrones de valencia y de los orbitales que estos ocupan. Sin embargo, estos últimos no siempre tienen la orientación adecuada para formar los enlaces necesarios.

La teoría de enlace valencia plantea que los átomos mezclan sus orbitales atómicos para formar nuevos orbitales híbridos que sí poseen la orientación adecuada. A este proceso se le denomina hibridación.

Dependiendo del número de átomos a los que se enlaza un átomo de carbono, este mezclará o hibridará un número distinto de orbitales atómicos puros. Esto da origen a tres hibridaciones diferentes, que son:

Hibridación sp

Se da cuando el carbono se enlaza solo a dos átomos. En este caso, se mezcla el orbital s con uno de los tres orbitales p, dando origen a dos orbitales sp que apuntan en direcciones opuestas (a 180º uno del otro).

Los dos orbitales p que quedan sin mezclar, se utilizan para formar enlaces pi. El átomo de carbono puede formar un enlace triple (que contiene dos enlaces pi) con un solo átomo, o puede formar dos enlaces dobles, uno con cada átomo (y con un enlace pi cada uno).

Hibridación sp²

Cuando el carbono quiere unirse a tres átomos, necesita tres orbitales híbridos, así que mezcla tres orbitales puros: el orbital s y dos orbitales p. Esto genera tres orbitales híbridos sp² que apuntan a las esquinas de un triángulo equilátero.

El orbital p que no se usó, puede formar un enlace pi con cualquiera de los tres átomos enlazados, dando origen a un enlace doble.

Hibridación sp³

Cuando el carbono se va a enlazar a cuatro átomos, mezcla los 4 orbitales puros de su capa de valencia para generar 4 orbitales híbridos sp³. Estos apuntan hacia los vértices de un tetraedro regular.

Como no quedan orbitales para formar enlaces pi, un carbono con hibridación sp³ solo puede formar cuatro enlaces simples y ningún enlace múltiple.

Referencias

1. Britannica, The Editors of Encyclopaedia. Carbon – Facts, Uses, & Properties. Tomado de https://www.britannica.com/science/carbon-chemical-element
2. Global Monitoring Laboratory. (s. f.). Carbon Cycle Greenhouse Gases. Tomado de https://gml.noaa.gov/ccgg/isotopes/chemistry.html