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El elemento con múltiples personalidades
Posee características contrastantes: puede ser el más duro o uno de los más blandos; negro y opaco o incoloro y transparente; el más caro o el más barato; el más antiguo o el más moderno. Es un elemento que se encuentra en todos los seres vivos y forma una cantidad tan enorme de moléculas que tal vez nunca se conozcan todas. Está constituido únicamente por átomos con seis protones y seis electrones.
Como todos los elementos que conforman la materia del Universo, el carbono se originó en las estrellas, mediante reacciones de fusión nuclear. El carbono es un elemento relativamente abundante en nuestro planeta; sus átomos se encuentran casi en su totalidad combinados con otros elementos, formando una gigantesca variedad de compuestos. Se piensa que la primera forma en que existió el carbono en nuestro planeta fue como dióxido de carbono (CO2) que pudo haberse fijado en la corteza terrestre de diversas maneras, por ejemplo al combinarse con algunos óxidos metálicos, formando carbonatos como el mármol, (CaCO3). Al aparecer y proliferar los seres vivos y realizarse la fotosíntesis, con la cual se producen carbohidratos a partir de agua y dióxido de carbono, la cantidad de este último en la atmósfera fue disminuyendo y aumentó la cantidad de carbono sobre la superficie de la Tierra y dentro de los océanos, como constituyente de toda la materia orgánica de plantas y animales, vivos y muertos. Se piensa que el carbono elemental se originó en el planeta como resultado de la sedimentación de enormes cantidades de plantas bajo el agua, que fueron descomponiéndose por la acción de diversos microorganismos en un ambiente escaso en oxígeno.
Formas cristalinas
Parte de ese carbono "primitivo", originado por los bosques de hace más de 300 millones de años, opaco, ligero y quebradizo, semejante al que se utiliza en un asador, cristalizó creando otras formas de carbono, con distintos grados de dureza. Esto ocurrió gracias a las enormes variaciones en la presión y temperatura de la Tierra durante los terremotos y las erupciones volcánicas.
Cuando los átomos de carbono se acomodan en este arreglo cristalino, es el elemento puro más caro que existe, debido principalmente a su belleza. Sin embargo, su precio no está sujeto a controles internacionales (lo que sí ocurre con el oro), ya que éste puede variar enormemente de un diamante a otro del mismo peso (un "quilate" equivale a 0.2 g). Son muy importantes su brillo y su color, determinados por las pequeñas cantidades de impurezas que contenga. Si bien sólo una fracción de todos los diamantes tienen calidad de gemas, los restantes se valoran por sus aplicaciones industriales y tecnológicas, relacionadas generalmente con su dureza y resistencia.
Negro, opaco y blando
El grafito es otra forma cristalina del carbono, en la que los átomos se encuentran en los vértices de hexágonos que tapizan un plano, de modo que cada átomo se encuentra unido a otros tres, como si fuera un piso formado de azulejos hexagonales; paralelo a cada plano de hexágonos, se encuentra otro idéntico.
El grafito es completamente distinto al diamante: negro, opaco y blando. Gracias a esta propiedad es que podemos usar el grafito para escribir, dentro de nuestros lápices o lapiceros; al presionar sobre el papel, depositamos sobre éste capas de átomos de carbono. De hecho, la palabra grafito proviene precisamente del latín graphein, que significa escritura, ya que desde tiempos muy remotos se utiliza para escribir.
El diamante y el grafito son lo que se conoce como alótropos, es decir, las distintas formas físicas en las que puede existir un elemento, ya sea en el arreglo tridimensional de sus átomos o en el número de átomos que forman sus moléculas. Las diferentes formas alotrópicas de un elemento tienen, en general, diferentes propiedades físicas y químicas. Entre los elementos que tienen formas alotrópicas se encuentran, además del carbono, el oxígeno (O2, oxígeno diatómico y O3, ozono), el fósforo (rojo, blanco, negro) y el estaño (blanco, gris).
¿Diamantes sintéticos?
Si el grafito, que es tan barato, y el diamante, que es tan caro, están hechos de átomos de carbono, ¿será posible fabricar diamantes a partir de grafito? Esta pregunta se la hicieron seriamente por primera vez los científicos de la General Electric en los años cincuenta. En la actualidad existe un proyecto ruso-estadounidense para producir en el laboratorio diamantes tan bellos como los que se sacan de las profundas minas sudafricanas y se asegura que esto sucederá muy pronto. La duda es si serán igual de apreciados.
El carbón simple
Hoy en día aproximadamente el 25% de la energía que se produce en el mundo proviene de quemar carbón, principalmente en las plantas termoeléctricas; las reservas de carbón son más del doble de las del petróleo y casi el triple de las del gas natural.
Los fullerenos
Mientras en su forma alotrópica amorfa el carbono es posiblemente la sustancia elemental más antigua reconocida por el hombre, existen otros alótropos descubiertos hace apenas 15 años. Aún no existen aplicaciones prácticas de los fullerenos que incidan en nuestra vida cotidiana; sin embargo, en los primeros cinco años de su existencia se registraron, tan sólo en los Estados Unidos, 149 patentes relacionados con ellos.
En la búsqueda de posibles aplicaciones de este fascinante material, destaca lo realizado en el campo de la medicina. Se ha probado que un derivado soluble en agua del C60 inhibe a los virus de inmunodeficiencia humana VIH-1 y VIH-2, causantes del sida.
De colores
A diferencia tanto del translúcido diamante como del negro grafito, los fullerenos poseen atractivos y variados colores. El C60 en películas delgadas es de color mostaza, mientras que en trozo es café oscuro y sus disoluciones en hidrocarburos aromáticos (como el benceno) son de un hermoso color magenta. El C60 en trozo es gris oscuro, pero sus películas delgadas son café-rojizo y sus disoluciones tienen un intenso color rojo vino. Por su parte, el C76, el C78 y el C60 son amarillos. Cuando vemos la gran versatilidad en la estructura y las propiedades del simple carbono elemental, que se produce con sólo cambiar la orientación de sus átomos, no nos sorprende que la química de este elemento sea lo suficientemente amplia y variada como para ser la base sobre la cual se ha desarrollado la vida en nuestro planeta.
Laura Gasque Silva es doctora en química inorgánica por la Facultad de Química de la UNAM, donde es profesora en la licenciatura y el posgrado, y desarrolla labores de investigación en química bioinorgánica.
