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Carbono, 6 C
	; Grafito (izquierda) y diamante (derecha), dos alótropos de carbono
Propiedades generales
Alótropos	grafito, diamante
Apariencia	grafito: ; diamante negro : claro
Peso atómico estándar ( A r, estándar)	[ 12.0096 , 12.0116 ] convencional: 12.011
Carbono en la tabla periódica
	boro ← carbono → nitrógeno
Número atómico ( Z )	6
Grupo	grupo 14 (grupo de carbono)
Período	período 2
Categoría de elemento	no metal reactivo, a veces considerado un metaloide
Bloquear	p-block
Configuración electronica	[He] 2s 2p
Electrones por caparazón	2, 4
Propiedades físicas
Fase en STP	sólido
Punto de sublimación	3915 K (3642 ° C, 6588 ° F)
Densidad (cerca de rt )	amorfo: 1.8-2.1 g / cm de ; grafito: 2.267 g / cm de ; diamante: 3.515 g / cm
Triple punto	4600 K, 10,800 kPa
Calor de fusión	grafito: 117 kJ / mol
Capacidad de calor molar	grafito: 8.517 J / (mol • K) ; diamante: 6.155 J / (mol • K)
Propiedades atómicas
Estados de oxidación	+4 , +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4 (un óxido levemente ácido)
Electronegatividad	Escala de Pauling: 2.55
Energías de ionización	1º: 1086,5 kJ / mol; 2º: 2352,6 kJ / mol; 3º: 4620,5 kJ / mol; (Más);
Radio covalente	sp: 77 pm ; sp: 73 pm ; sp: 69 p. m.
Radio Van der Waals	170 pm
	Líneas espectrales
	Líneas espectrales
Miscelánea
Estructura cristalina	grafito: simple hexagonal; (negro)
Estructura cristalina	diamante: diamante cúbico centrado en la cara; (claro)
Velocidad de la varilla delgada de sonido	diamante: 18,350 m / s (a 20 ° C)
Expansión térmica	diamante: 0.8 μm / (m • K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica	grafito: 119-165 W / (m • K) ; diamante: 900-2300 W / (m • K)
Resistividad electrica	grafito: 7.837 μΩ • m
Ordenamiento magnético	diamagnético
Susceptibilidad magnética	-5.9 • 10 (gráfico) cm / mol
El módulo de Young	diamante: 1050 GPa
Módulo de corte	diamante: 478 GPa
Módulo de volumen	diamante: 442 GPa
Relación de Poisson	diamante: 0.1
Dureza de Mohs	grafito: 1-2 ; diamantes: 10
Número CAS	7440-44-0
Historia
Descubrimiento	Egipcios y sumerios (3750 a. C.)
Reconocido como un elemento por	Antoine Lavoisier (1789)
Principales isótopos de carbono

El carbono (del latín: carbo "carbón") es un elemento químico con el símbolo C y el número atómico 6. Es no metálico y tetravalente, lo que hace cuatro electrones disponibles para formar enlaces químicos covalentes. Pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. Tres isótopos se producen naturalmente, Cand C es estable, mientras que C es un radionúclido, que se descompone con una vida media de aproximadamente 5,730 años. El carbono es uno de los pocos elementos conocidos desde la antigüedad.

El carbono es el 15º elemento más abundante en la corteza terrestre, y el cuarto elemento más abundante en el universo en masa después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. La abundancia de carbono, su diversidad única de compuestos orgánicos y su habilidad inusual para formar polímeros a las temperaturas comúnmente encontradas en la Tierra permiten que este elemento sirva como un elemento común de toda la vida conocida. Es el segundo elemento más abundante en el cuerpo humano en masa (alrededor del 18,5%) después del oxígeno.

Los átomos de carbono se pueden unir entre sí de diferentes maneras, denominadas alotrópicas de carbono. Los más conocidos son el grafito, el diamante y el carbono amorfo. Las propiedades físicas del carbono varían ampliamente con la forma alotrópica. Por ejemplo, el grafito es opaco y negro, mientras que el diamante es muy transparente. El grafito es lo suficientemente suave como para formar una raya en el papel (de ahí su nombre, del verbo griego "γράφειν" que significa "escribir"), mientras que el diamante es el material natural más duro que se conoce. El grafito es un buen conductor eléctrico, mientras que el diamante tiene una baja conductividad eléctrica. En condiciones normales, el diamante, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen las conductividades térmicas más altas de todos los materiales conocidos. Todos los alótropos de carbono son sólidos en condiciones normales, siendo el grafito la forma más estable termodinámicamente a temperatura y presión estándar. Son químicamente resistentes y requieren altas temperaturas para reaccionar incluso con oxígeno.

El estado de oxidación más común del carbono en los compuestos inorgánicos es +4, mientras que +2 se encuentra en el monóxido de carbono y los complejos de metalcarbonilo de transición. Las fuentes más grandes de carbono inorgánico son calizas, dolomitas y dióxido de carbono, pero cantidades significativas ocurren en depósitos orgánicos de carbón, turba, petróleo y clatratos de metano. El carbono forma una gran cantidad de compuestos, más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha, y sin embargo ese número es solo una fracción del número de compuestos teóricamente posibles en condiciones estándar. Por esta razón, el carbono a menudo se conoce como el "rey de los elementos".

Características

Diagrama de fase teóricamente predicho de carbono

Los alotrópicos de carbono incluyen grafito, una de las sustancias más suaves conocidas, y el diamante, la sustancia más dura que se produce naturalmente. Se une fácilmente con otros átomos pequeños, incluidos otros átomos de carbono, y es capaz de formar enlaces covalentes estables múltiples con átomos multivalentes adecuados. Se sabe que el carbono forma casi diez millones de compuestos diferentes, una gran mayoría de todos los compuestos químicos. El carbono también tiene el punto de sublimación más alto de todos los elementos. A presión atmosférica no tiene punto de fusión, ya que su punto triple está en 10.8 ± 0.2 MPa y 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300 ° C; 7,820 ± 540 ° F), por lo que sublima a aproximadamente 3.900 K. El grafito es mucho más reactivo que el diamante en condiciones estándar, a pesar de ser más estable termodinámicamente, ya que su sistema pi deslocalizado mucho más vulnerable al ataque. Por ejemplo, el grafito se puede oxidar con ácido nítrico concentrado caliente en condiciones estándar al ácido melítico, C 6 (CO 2 H) 6 , que conserva las unidades hexagonales de grafito y rompe la estructura más grande.

El carbono sublima en un arco de carbón, que tiene una temperatura de aproximadamente 5800 K (5,530 ° C o 9,980 ° F). Por lo tanto, independientemente de su forma alotrópica, el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que los metales de punto de mayor punto de fusión como el tungsteno o el renio. Aunque termodinámicamente es propenso a la oxidación, el carbono resiste la oxidación de manera más efectiva que elementos como el hierro y el cobre, que son agentes reductores más débiles a temperatura ambiente.

El carbono es el sexto elemento, con una configuración electrónica de estado fundamental de 1s2s2p, de la cual los cuatro electrones externos son electrones de valencia. Sus primeras cuatro energías de ionización, 1086.5, 2352.6, 4620.5 y 6222.7 kJ / mol, son mucho más altas que las de los elementos del grupo 14 más pesados. La electronegatividad del carbono es 2.5, significativamente más alta que los elementos más pesados del grupo 14 (1.8-1.9), pero cerca de la mayoría de los no metales cercanos, así como de algunos de los metales de transición de la segunda y tercera fila. Los radios covalentes de carbono normalmente se toman como 77.2 p.m. (C-C), 66.7 p.m. (C = C) y 60.3 p.m. (C≡C), aunque pueden variar dependiendo del número de coordinación y de a qué se une el carbono. En general, el radio covalente disminuye con un menor número de coordinación y un mayor orden de enlace.

Los compuestos de carbono forman la base de toda la vida conocida en la Tierra, y el ciclo carbono-nitrógeno proporciona parte de la energía producida por el Sol y otras estrellas. Aunque forma una variedad extraordinaria de compuestos, la mayoría de las formas de carbono son comparativamente no reactivas en condiciones normales. A temperatura y presión estándar, resiste a todos menos a los oxidantes más fuertes. No reacciona con ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, cloro o cualquier álcali. A temperaturas elevadas, el carbono reacciona con el oxígeno para formar óxidos de carbono y roba el oxígeno de los óxidos metálicos para dejar el metal elemental. Esta reacción exotérmica se usa en la industria siderúrgica para fundir el hierro y controlar el contenido de carbono del acero:

Fe3 O4 + 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)

El monóxido de carbono se puede reciclar para fundir aún más hierro:

Fe3 O4 + 4 CO(g) → 3 Fe(s) + 4 CO2 (g)

con azufre para formar disulfuro de carbono y con vapor en la reacción de gas de carbón:

C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) .

El carbono se combina con algunos metales a altas temperaturas para formar carburos metálicos, como la cementita de carburo de hierro en acero y carburo de tungsteno, ampliamente utilizado como abrasivo y para hacer puntas duras para herramientas de corte.

El sistema de alótropos de carbono abarca un rango de extremos:

El grafito es uno de los materiales más suaves conocidos.	Diamante nanocristalino sintético es el material más duro conocido.
El grafito es un lubricante muy bueno que muestra superlubricidad.	Diamond es el último abrasivo.
Graphite es un conductor de electricidad.	Diamond es un excelente aislante eléctrico, y tiene el campo eléctrico de descomposición más alto de cualquier material conocido.
Algunas formas de grafito se utilizan para el aislamiento térmico (es decir, cortafuegos y escudos térmicos), pero algunas otras formas son buenos conductores térmicos.	Diamond es el conductor térmico natural más conocido
El grafito es opaco	Diamond es muy transparente.
El grafito cristaliza en el sistema hexagonal.	El diamante cristaliza en el sistema cúbico.
El carbono amorfo es completamente isótropo.	Los nanotubos de carbono se encuentran entre los materiales más anisotrópicos conocidos.

Alótropos

El carbono atómico es una especie de vida muy corta y, por lo tanto, el carbono se estabiliza en varias estructuras multiatómicas con diferentes configuraciones moleculares llamadas alótropos. Los tres alótropos relativamente bien conocidos de carbono son carbono amorfo, grafito y diamante. Una vez considerados exóticos, los fullerenos hoy en día se sintetizan comúnmente y se usan en investigación; incluyen buckyballs, nanotubos de carbono, nanotubos de carbono y nanofibras. También se han descubierto otros alótropos exóticos, como lonsdaleita, carbono vítreo, nanoforma de carbono y carbono acetilénico lineal (carbyne).

El grafeno es una lámina bidimensional de carbono con los átomos dispuestos en una red hexagonal. A partir de 2009, el grafeno parece ser el material más fuerte jamás probado. El proceso de separarlo del grafito requerirá un mayor desarrollo tecnológico antes de que sea económico para los procesos industriales. Si tiene éxito, el grafeno podría ser utilizado en la construcción de un ascensor espacial. También podría usarse para almacenar hidrógeno de forma segura para usar en un motor a base de hidrógeno en automóviles.

Una gran muestra de carbono vítreo.

La forma amorfa es una variedad de átomos de carbono en un estado no cristalino, irregular, vítreo, que no se mantiene en una macroestructura cristalina. Está presente en forma de polvo y es el componente principal de sustancias como el carbón de leña, el negro de humo (hollín) y el carbón activado. A presiones normales, el carbono toma la forma de grafito, en el cual cada átomo está unido trigonalmente a otros tres en un plano compuesto por anillos hexagonales fusionados, como los que se encuentran en los hidrocarburos aromáticos. La red resultante es bidimensional, y las hojas planas resultantes se apilan y se unen de forma flexible a través de fuerzas débiles de van der Waals. Esto le da al grafito su suavidad y sus propiedades de corte (las hojas se deslizan fácilmente una sobre la otra). Debido a la deslocalización de uno de los electrones externos de cada átomo para formar una nube π, el grafito conduce electricidad, pero solo en el plano de cada lámina covalentemente unida. Esto da como resultado una menor conductividad eléctrica a granel para el carbono que para la mayoría de los metales. La deslocalización también explica la estabilidad energética del grafito sobre el diamante a temperatura ambiente.

Algunos alótropos de carbono: a) diamante; b) grafito; c) lonsdaleita; d-f) fullerenos (C 60 , C 540 , C 70 ); g) carbono amorfo; h) nanotubo de carbono.

A presiones muy altas, el carbono forma el alótropo más compacto, el diamante, que tiene casi el doble de densidad que el grafito. Aquí, cada átomo está unido tetraédricamente a otros cuatro, formando una red tridimensional de anillos de átomos de seis miembros fruncidos. Diamond tiene la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio, y debido a la fortaleza de los enlaces carbono-carbono, es la sustancia natural más dura medida por la resistencia al rayado. Contrariamente a la creencia popular de que "los diamantes son para siempre" , son termodinámicamente inestables (Δ f G° (diamante, 298 K) = 2.9 kJ / mol) en condiciones normales (298 K, 10 Pa) y se transforma en grafito. Debido a una barrera de energía de activación alta, la transición al grafito es tan lenta a temperatura normal que es imperceptible. La esquina inferior izquierda del diagrama de fase para el carbono no se ha analizado experimentalmente. Sin embargo, un estudio computacional reciente que emplea métodos de la teoría funcional de la densidad llegó a la conclusión de que, como T → 0 K y p → 0 Pa , el diamante se vuelve más estable que el grafito en aproximadamente 1.1 kJ / mol. En algunas condiciones, el carbono se cristaliza como lonsdaleita, una red cristalina hexagonal con todos los átomos covalentemente unidos y propiedades similares a las del diamante.

Los fullerenos son una formación cristalina sintética con una estructura de tipo grafito, pero en lugar de hexágonos, los fullerenos están formados por pentágonos (o incluso heptagones) de átomos de carbono. Los átomos faltantes (o adicionales) deforman las hojas en esferas, elipses o cilindros. Las propiedades de los fullerenos (divididos en buckyballs, buckytubes y nanobuds) aún no se han analizado por completo y representan un área intensa de investigación en nanomateriales. Los nombres "fullereno" y "buckyball" se dan después de Richard Buckminster Fuller, popularizador de cúpulas geodésicas, que se asemejan a la estructura de los fullerenos. Las buckybolas son moléculas bastante grandes formadas completamente de carbono enlazadas trigonalmente, formando esferoides (el más conocido y más simple es el C 60 en forma de balón de fútbol buckminsterfullerene). Los nanotubos de carbono son estructuralmente similares a las buckybolas, excepto que cada átomo está unido trigonalmente en una lámina curva que forma un cilindro hueco. Los nanobud se informaron por primera vez en 2007 y son materiales buckyball / buckyball híbridos (las buckybolas se unen covalentemente a la pared externa de un nanotubo) que combinan las propiedades de ambos en una sola estructura.

De los otros alótropos descubiertos, la nanofoam de carbono es un alótropo ferromagnético descubierto en 1997. Consiste en un ensamblaje en racimo de baja densidad de átomos de carbono unidos en una red tridimensional suelta, en la que los átomos están unidos trigonalmente en seis y Anillos de siete miembros. Es uno de los sólidos más ligeros conocidos, con una densidad de aproximadamente 2 kg / m. De manera similar, el carbono vidrioso contiene una alta proporción de porosidad cerrada, pero a diferencia del grafito normal, las capas grafíticas no están apiladas como páginas en un libro, sino que tienen una disposición más aleatoria. El carbono acetilénico lineal tiene la estructura química - (C ::: C) n -. El carbono en esta modificación es lineal con sp hibridación orbital, y es un polímero con enlaces simples y triples alternantes. Este carbyne es de gran interés para la nanotecnología ya que su módulo de Young es 40 veces mayor que el del material más duro conocido: el diamante.

En 2015, un equipo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte anunció el desarrollo de otro alótropo que denominaron Q-carbono, creado por un pulso de láser de alta energía y baja duración sobre polvo de carbono amorfo. Se informa que el Q-carbono exhibe ferromagetismo, fluorescencia y una dureza superior a los diamantes.

Ocurrencia

Mineral de grafito Penny está incluido para la escala.

Cristal de diamante crudo

"Hoy en día" (década de 1990) la superficie del mar disuelve la concentración de carbono inorgánico (de la clasificación GLODAP)

El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo observable en masa después de hidrógeno, helio y oxígeno. El carbono es abundante en el Sol, las estrellas, los cometas y en las atmósferas de la mayoría de los planetas. Algunos meteoritos contienen diamantes microscópicos que se formaron cuando el sistema solar todavía era un disco protoplanetario. Los diamantes microscópicos también pueden formarse por la presión intensa y la alta temperatura en los sitios de impactos de meteoritos.

En 2014, la NASA anunció una base de datos muy actualizada para rastrear hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en el universo. Más del 20% del carbono en el universo puede estar asociado con HAP, compuestos complejos de carbono e hidrógeno sin oxígeno. Estos compuestos figuran en la hipótesis del mundo de HAP donde se supone que tienen un papel en la abiogénesis y la formación de la vida. Los HAP parecen haberse formado "un par de miles de millones de años" después del Big Bang, están diseminados por todo el universo y se asocian con nuevas estrellas y exoplanetas.

Se ha estimado que la tierra sólida como un todo contiene 730 ppm de carbono, con 2000 ppm en el núcleo y 120 ppm en el manto y la corteza combinados. Como la masa de la tierra es 5.972 × 10 kg , esto implicaría 4360 millones de gigatoneladas de carbono. Esto es mucho más que la cantidad de carbono en los océanos o la atmósfera (abajo).

En combinación con el oxígeno en el dióxido de carbono, el carbono se encuentra en la atmósfera de la Tierra (aproximadamente 810 gigatoneladas de carbono) y se disuelve en todos los cuerpos de agua (aproximadamente 36,000 gigatoneladas de carbono). Alrededor de 1.900 gigatoneladas de carbono están presentes en la biosfera. Los hidrocarburos (como el carbón, el petróleo y el gas natural) también contienen carbono. Las "reservas" de carbón (no los "recursos") ascienden a alrededor de 900 gigatoneladas con quizás 18,000 Gt de recursos. Las reservas de petróleo son alrededor de 150 gigatoneladas. Las fuentes probadas de gas natural son de aproximadamente 175 × 10 metros cúbicos (que contienen alrededor de 105 gigatoneladas de carbono), pero los estudios estiman otros 900 × 10 metros cúbicos de depósitos "no convencionales" como el gas de esquisto,

El carbono también se encuentra en los hidratos de metano en las regiones polares y bajo los mares. Diversas estimaciones sitúan este carbono entre 500, 2500 Gt o 3.000 Gt.

En el pasado, las cantidades de hidrocarburos eran mayores. Según una fuente, en el período de 1751 a 2008, se liberaron alrededor de 347 gigatoneladas de carbono como dióxido de carbono a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. Otra fuente agrega la cantidad agregada a la atmósfera desde 1750 a 879 Gt, y el total a la atmósfera, el mar y la tierra (como las turberas) a casi 2.000 Gt.

El carbono es un constituyente (aproximadamente 12% en masa) de las grandes masas de roca carbonatada (piedra caliza, dolomita, mármol, etc.). El carbón es muy rico en carbono (antracita contiene 92-98%) y es la mayor fuente comercial de carbono mineral, que representa 4,000 gigatoneladas o 80% de combustible fósil.

En cuanto a los alótropos de carbono individuales, el grafito se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos (principalmente en Nueva York y Texas), Rusia, México, Groenlandia e India. Los diamantes naturales se encuentran en la roca kimberlita, que se encuentra en los antiguos "cuellos" volcánicos o "cañerías". La mayoría de los depósitos de diamantes se encuentran en África, especialmente en Sudáfrica, Namibia, Botswana, la República del Congo y Sierra Leona. También se han encontrado depósitos de diamantes en Arkansas, Canadá, el Ártico ruso, Brasil y en el norte y el oeste de Australia. Diamantes ahora también están siendo recuperados del fondo del océano frente al Cabo de Buena Esperanza. Los diamantes se encuentran naturalmente, pero alrededor del 30% de todos los diamantes industriales que se usan en los EE. UU. Ahora se fabrican.

El carbono 14 se forma en las capas superiores de la troposfera y la estratosfera en altitudes de 9 a 15 km por una reacción precipitada por los rayos cósmicos. Se producen neutrones térmicos que colisionan con los núcleos de nitrógeno 14, formando carbono 14 y un protón. Como tal, 1.5% × 10 de dióxido de carbono atmosférico contiene carbono-14.

Los asteroides ricos en carbono son relativamente preponderantes en las partes externas del cinturón de asteroides en nuestro sistema solar. Estos asteroides aún no han sido muestreados directamente por los científicos. Los asteroides se pueden utilizar en la minería de carbono hipotética basada en el espacio, que puede ser posible en el futuro, pero actualmente es tecnológicamente imposible.

Isótopos

Los isótopos de carbono son núcleos atómicos que contienen seis protones más una cantidad de neutrones (que varían de 2 a 16). El carbono tiene dos isótopos estables de origen natural. El isótopo carbono-12 (C) forma el 98.93% del carbono en la Tierra, mientras que el carbono 13 (C) forma el 1.07% restante. La concentración de C aumenta aún más en los materiales biológicos porque las reacciones bioquímicas discriminan a C. En 1961, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el isótopo carbono-12 como base para los pesos atómicos.Identificación de carbono en magnético nuclear los experimentos de resonancia (RMN) se realizan con el isótopo C.

El carbono 14 (C) es un radioisótopo de origen natural, creado en la atmósfera superior (la estratosfera inferior y la troposfera superior) por la interacción del nitrógeno con los rayos cósmicos. Se encuentra en pequeñas cantidades en la Tierra de 1 parte por billón (0.0000000001%) o más, en su mayoría confinadas a la atmósfera y depósitos superficiales, particularmente de turba y otros materiales orgánicos. Este isótopo se descompone en una emisión de 0.158 MeV β. Debido a su vida media relativamente corta de 5730 años, C está prácticamente ausente en rocas antiguas. La cantidad de C en la atmósfera y en los organismos vivos es casi constante, pero disminuye de forma predecible en sus cuerpos después de la muerte. Este principio se utiliza en la datación por radiocarbono, inventada en 1949, que se ha utilizado ampliamente para determinar la edad de los materiales carbonosos con edades de hasta aproximadamente 40,000 años.

Hay 15 isótopos conocidos de carbono y el de vida más corta es C, que se descompone a través de la emisión de protones y decaimiento alfa y tiene una vida media de 1.98739x10 s. La C exótica exhibe un halo nuclear, lo que significa que su radio es apreciablemente más grande de lo que se esperaría si el núcleo fuera una esfera de densidad constante.

Formación en estrellas

La formación del núcleo atómico de carbono ocurre dentro de una estrella gigante o supergigante a través del proceso triple alfa. Esto requiere una colisión casi simultánea de tres partículas alfa (helio), ya que los productos de otras reacciones de fusión nuclear de helio con hidrógeno u otro núcleo de helio producen litio-5 y berilio-8 respectivamente, ambos son altamente inestables y se descomponen casi al instante volver a núcleos más pequeños. El proceso de triple alfa ocurre en condiciones de temperaturas superiores a 100 megakelvin y la concentración de helio que la rápida expansión y enfriamiento del universo temprano prohibió, y por lo tanto, no se creó ningún carbono significativo durante el Big Bang.

De acuerdo con la teoría de la cosmología física actual, el carbono se forma en el interior de las estrellas en la rama horizontal. Cuando las estrellas masivas mueren como supernova, el carbono se dispersa en el espacio como polvo. Este polvo se convierte en material componente para la formación de los sistemas estelares de próxima generación con planetas acrecidos. El Sistema Solar es uno de esos sistemas estelares con una gran cantidad de carbono, permitiendo la existencia de la vida tal como la conocemos.

El ciclo de CNO es un mecanismo adicional de fusión de hidrógeno que alimenta a las estrellas, en donde el carbono opera como un catalizador.

Las transiciones rotacionales de diversas formas isotópicas de monóxido de carbono (por ejemplo, CO, CO y CO) son detectables en el rango de longitud de onda submilimétrica, y se usan en el estudio de estrellas recién formadas en nubes moleculares.

Ciclo del carbono

Diagrama del ciclo del carbono. Los números negros indican cuánto carbono se almacena en varios depósitos, en miles de millones de toneladas ("GtC" significa gigatoneladas de carbono, las cifras son alrededor de 2004). Los números morados indican la cantidad de carbono que se mueve entre los embalses cada año. Los sedimentos, tal como se define en este diagrama, no incluyen los ≈70 millones de GtC de roca de carbonato y kerógeno.

En condiciones terrestres, la conversión de un elemento a otro es muy rara. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la Tierra es efectivamente constante. Por lo tanto, los procesos que usan carbono deben obtenerlo de algún lado y disponer de él en otro lugar. Los caminos del carbono en el medio ambiente forman el ciclo del carbono. Por ejemplo, las plantas fotosintéticas extraen dióxido de carbono de la atmósfera (o agua de mar) y lo convierten en biomasa, como en el ciclo de Calvin, un proceso de fijación de carbono. Parte de esta biomasa es consumida por animales, mientras que los animales exhalan algo de carbono en forma de dióxido de carbono. El ciclo del carbono es considerablemente más complicado que este ciclo corto; por ejemplo, algo de dióxido de carbono se disuelve en los océanos; si las bacterias no lo consumen, las plantas muertas o la materia animal pueden convertirse en petróleo o carbón, que libera carbono cuando se quema.

Compuestos

Compuestos orgánicos

Fórmula estructural de metano, el compuesto orgánico más simple posible.

Correlación entre el ciclo del carbono y la formación de compuestos orgánicos. En las plantas, el dióxido de carbono formado por la fijación de carbono puede unirse con el agua en la fotosíntesis ( verde ) para formar compuestos orgánicos, que pueden usarse y convertirse aún más por las plantas y los animales.

El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados, una propiedad que se llama catenación. Los enlaces carbono-carbono son fuertes y estables. A través de la catenación, el carbono forma una innumerable cantidad de compuestos. Un conteo de compuestos únicos muestra que más contienen carbono que aquellos que no lo tienen. Se puede hacer una afirmación similar para el hidrógeno porque la mayoría de los compuestos orgánicos también contienen hidrógeno.

La forma más simple de una molécula orgánica es el hidrocarburo, una gran familia de moléculas orgánicas que se componen de átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. La longitud de la cadena, las cadenas laterales y los grupos funcionales afectan las propiedades de las moléculas orgánicas.

El carbono se produce en toda la vida orgánica conocida y es la base de la química orgánica. Cuando se une con el hidrógeno, forma varios hidrocarburos que son importantes para la industria como refrigerantes, lubricantes, solventes, como materia prima química para la fabricación de plásticos y petroquímicos, y como combustibles fósiles.

Cuando se combina con oxígeno e hidrógeno, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes, incluidos azúcares, lignanos, quitinas, alcoholes, grasas y ésteres aromáticos, carotenoides y terpenos. Con el nitrógeno forma alcaloides, y con la adición de azufre también forma antibióticos, aminoácidos y productos de caucho. Con la adición de fósforo a estos otros elementos, forma ADN y ARN, los portadores químicos de la vida y el trifosfato de adenosina (ATP), la molécula de transferencia de energía más importante en todas las células vivas.

Compuestos inorgánicos

Comúnmente, los compuestos que contienen carbono que están asociados con minerales o que no contienen enlaces a los otros átomos de carbono, halógenos o hidrógeno, se tratan por separado de los compuestos orgánicos clásicos; la definición no es rígida, y la clasificación de algunos compuestos puede variar de autor a autor (ver los artículos de referencia más arriba). Entre estos se encuentran los óxidos simples de carbono. El óxido más prominente es el dióxido de carbono (CO 2 ). Esta fue una vez el principal constituyente de la paleoatmosfera, pero hoy en día es un componente menor de la atmósfera de la Tierra. Disuelto en agua, forma ácido carbónico ( H
2 CO
3), pero como la mayoría de los compuestos con múltiples oxígenos unidos a un solo carbono, es inestable. Sin embargo, a través de este intermedio, se producen iones de carbonato estabilizados por resonancia. Algunos minerales importantes son los carbonatos, especialmente la calcita. Disulfuro de carbono (CS
2 ) es similar. Sin embargo, debido a sus propiedades físicas y su asociación con la síntesis orgánica, el disulfuro de carbono a veces se clasifica como un solventeorgánico.

El otro óxido común es el monóxido de carbono (CO). Está formado por una combustión incompleta, y es un gas incoloro e inodoro. Cada una de las moléculas contiene un enlace triple y son bastante polares, lo que da como resultado una tendencia a unirse permanentemente a moléculas de hemoglobina, desplazando al oxígeno, que tiene una afinidad de unión inferior. El cianuro (CN) tiene una estructura similar, pero se comporta de forma similar a un ion haluro (pseudohalógeno). Por ejemplo, puede formar la molécula de cianógeno de nitruro ((CN) 2 ), similar a los haluros diatómicos. Del mismo modo, el análogo más pesado de cianuro, ciafuro (CP) también se considera inorgánico, aunque la mayoría de los derivados simples son altamente inestables. Otros óxidos poco comunes son el subóxido de carbono ( C
3 O
2 ), el monóxido de dicarbono inestable (C2O), el trióxido de carbono (CO3), la ciclopentanepentona (C5O5), la ciclohexanhexona (C6O6) y el anhídrido melítico (C12O9). Sin embargo, el anhídrido melítico es el anhídrido de triple acilo del ácido melítico; además, contiene un anillo de benceno. Por lo tanto, muchos químicos lo consideran orgánico.

Con metales reactivos, tales como tungsteno, formas de carbono cualquiera de los carburos (C) o acetiluros ( C 2-
2 ) para formar aleaciones con altos puntos de fusión. Estos aniones también están asociados con el metano y el acetileno, ambos ácidos muy débiles. Con una electronegatividad de 2.5, el carbono prefiere formar enlaces covalentes. Algunos carburos son retículos covalentes, como el carborundo (SiC), que se parece al diamante. Sin embargo, incluso los carburos más polares y salinos no son compuestos completamente iónicos.

Compuestos organometálicos

Los compuestos organometálicos por definición contienen al menos un enlace covalente carbono-metal. Existe una amplia gama de tales compuestos; las clases principales incluyen compuestos de alquil-metal simples (por ejemplo, tetraetil-plomo), compuestos de η-alqueno (por ejemplo, sal de Zeise) y compuestos de η-alilo (por ejemplo, dímero de cloruro de alilpaladio); metalocenos que contienen ligandos de ciclopentadienilo (por ejemplo, ferroceno); y complejos de carbene del metal de la transición. Existen muchos carbonilos metálicos y cianuros metálicos (por ejemplo, níquel tetracarbonílico y ferricianuro de potasio); algunos trabajadores consideran que los complejos metálicos de carbonilo y cianuro sin otros ligandos de carbono son puramente inorgánicos y no organometálicos. Sin embargo, la mayoría de los químicos organometálicos consideran los complejos metálicos con cualquier ligando de carbono, incluso el "carbono inorgánico" (por ejemplo, carbonilos, cianuros, y ciertos tipos de carburos y acetiluros) para que sean de naturaleza organometálica. Los complejos metálicos que contienen ligandos orgánicos sin un enlace covalente carbono-metal (p. Ej., Carboxilatos de metal) se denominan compuestos metalorgánicos .

Mientras que se entiende que el carbono prefiere fuertemente la formación de cuatro enlaces covalentes, también se conocen otros esquemas de enlaces exóticos. Se ha informado sobre un interesante compuesto que contiene un átomo de carbono hexacoordinado octaédrico. El catión del compuesto es [(Ph 3 PAu) 6 C]. Este fenómeno se ha atribuido a la aurofilicidad de los ligandos de oro, que proporcionan estabilización adicional de una especie que de otro modo sería lábil. En la naturaleza, el cofactor de hierro y molibdeno (FeMoco) responsable de la fijación microbiana de nitrógeno también tiene un centro de carbono octaédrico (formalmente un carburo, C (-IV)) unido a seis átomos de hierro. En 2016, se confirmó que, de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores, la dication del hexamethylbenzene contiene un átomo de carbono con seis enlaces, con la formulación [MeC (η-C 5Me 5 )], por lo que es un "metaloceno orgánico". Por lo tanto, un fragmento MeC está unido a un η-C 5 Me 5 fragmento a través de los cinco de los carbonos del anillo.

Es importante señalar que en los casos anteriores, cada uno de los enlaces al carbono contiene menos de dos pares de electrones formales, lo que los hace hipercoordinados, pero no hipervalentes. Incluso en casos de supuestas especies 10-C-5 (es decir, un carbono con cinco ligandos y un conteo formal de electrones de diez), según lo informado por Akiba y colaboradores, los cálculos de la estructura electrónica concluyen que el número total de electrones alrededor del carbono es aún menos de ocho, como en el caso de otros compuestos descritos por enlace de tres centros.

Historia y etimología

Antoine Lavoisier en su juventud

El nombre en inglés carbon proviene del latín carbo para carbón y carbón, de donde viene el charbon francés , que significa carbón. En alemán, Dutchand Danish, los nombres para el carbono son Kohlenstoff, koolstof y kulstof respectivamente, todos literalmente significando sustancia de carbón.

El carbono se descubrió en la prehistoria y se conocía en las formas de hollín y carbón a las primeras civilizaciones humanas. Los diamantes se conocían probablemente ya en el año 2500 aC en China, mientras que el carbono en forma de carbón se fabricaba en la época romana con la misma química que en la actualidad, calentando la madera en una pirámide cubierta de arcilla para excluir el aire.

Carl Wilhelm Scheele

En 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demostró que el hierro se transformaba en acero mediante la absorción de alguna sustancia, ahora conocida como carbono. En 1772, Antoine Lavoisier demostró que los diamantes son una forma de carbono; cuando quemó muestras de carbón y diamantes y descubrió que ninguno producía agua y que ambos liberaban la misma cantidad de dióxido de carbono por gramo. En 1779, Carl Wilhelm Scheele demostró que el grafito, que se había considerado como una forma de plomo, era en cambio idéntico al carbón pero con una pequeña mezcla de hierro, y que daba "ácido aéreo" (su nombre para el dióxido de carbono) cuando oxidado con ácido nítrico. En 1786, los científicos franceses Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge y CA Vandermonde confirmó que el grafito era principalmente carbono al oxidarlo en oxígeno de la misma manera que Lavoisier lo había hecho con el diamante. Se dejó de nuevo algo de hierro, que los científicos franceses consideraron necesario para la estructura de grafito. En su publicación, propusieron el nombre carbone (Latin carbonum ) para el elemento en grafito que se emitió como gas al quemar grafito. Antoine Lavoisier luego enumeró el carbono como un elemento en su libro de texto de 1789.

Un nuevo alótropo de carbono, fullereno, que se descubrió en 1985 incluye formas nanoestructuradas como buckyballs y nanotubos. Sus descubridores, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley, recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. El renovado interés resultante en nuevas formas llevó al descubrimiento de alótropos exóticos adicionales, incluido el carbono vítreo, y la constatación de que el "carbono amorfo" es no estrictamente amorfo.

Producción

Grafito

Los depósitos naturales de grafito comercialmente viables se encuentran en muchas partes del mundo, pero las fuentes más importantes económicamente se encuentran en China, India, Brasil y Corea del Norte. Los depósitos de grafito son de origen metamórfico, y se encuentran en asociación con cuarzo, mica y feldespatos en esquistos, gneises y areniscas metamórficas y calizas como lentes o venas, a veces de un metro o más de grosor. Los depósitos de grafito en Borrowdale, Cumberland, Inglaterra fueron al principio de suficiente tamaño y pureza que, hasta el siglo XIX, los lápices se fabricaban simplemente cortando bloques de grafito natural en tiras antes de encastrar las tiras en madera. Hoy en día, se obtienen depósitos más pequeños de grafito aplastando la roca madre y flotando el grafito más claro sobre el agua.

Hay tres tipos de grafito amorfo natural, copos o escamas cristalinas, y vetas o protuberancias. El grafito amorfo es de menor calidad y más abundante. Contrariamente a la ciencia, en la industria "amorfa" se refiere a un tamaño de cristal muy pequeño en lugar de una falta total de estructura cristalina. Amorfo se usa para productos de grafito de menor valor y es el grafito de menor precio. Grandes depósitos de grafito amorfo se encuentran en China, Europa, México y los Estados Unidos. El grafito en escamas es menos común y de mayor calidad que el amorfo; ocurre como placas separadas que cristalizaron en la roca metamórfica. El grafito en escamas puede ser cuatro veces más caro que el amorfo. Los copos de buena calidad se pueden procesar en grafito expandible para muchos usos, como los retardantes de llama. Los principales depósitos se encuentran en Austria, Brasil, Canadá, China, Alemania y Madagascar. El grafito venoso o a granel es el tipo de grafito natural más raro, más valioso y de la más alta calidad. Se produce en venas a lo largo de contactos intrusivos en grumos sólidos, y solo se extrae comercialmente en Sri Lanka.

Según el USGS, la producción mundial de grafito natural fue de 1,1 millones de toneladas en 2010, a lo que China contribuyó con 800,000 t, India con 130,000 t, Brasil con 76,000 t, Corea del Norte con 30,000 t y Canadá con 25,000 t. No se informó de la extracción de grafito natural en los Estados Unidos, pero en 2009 se produjeron 118.000 t de grafito sintético con un valor estimado de $ 998 millones.

Diamante

Salida de diamante en 2005

La cadena de suministro de diamantes está controlada por un número limitado de empresas poderosas y también está muy concentrada en un pequeño número de lugares en todo el mundo (ver figura).

Solo una fracción muy pequeña del mineral de diamante se compone de diamantes reales. El mineral se tritura, durante el cual se debe tener cuidado para evitar que los diamantes más grandes se destruyan en este proceso y, posteriormente, las partículas se clasifican por densidad. Hoy en día, los diamantes se encuentran en la fracción de densidad rica en diamantes con la ayuda de la fluorescencia de rayos X. Luego, los pasos finales de clasificación se hacen a mano. Antes de que el uso de rayos X se volviera un lugar común, la separación se hizo con correas de grasa; los diamantes tienen una mayor tendencia a pegarse a la grasa que los otros minerales en el mineral.

Históricamente, se sabía que los diamantes se encontraban solo en depósitos aluviales en el sur de la India. La India lideró el mundo en la producción de diamantes desde el momento de su descubrimiento, aproximadamente en el siglo IX aC hasta mediados del siglo XVIII, pero el potencial comercial de estas fuentes se había agotado a fines del siglo XVIII y en ese momento la India fue eclipsada por Brasil, donde se encontraron los primeros diamantes no indios en 1725.

La producción de diamantes de depósitos primarios (kimberlitas y lamproítos) solo comenzó en la década de 1870 después del descubrimiento de los campos Diamante en Sudáfrica. La producción ha aumentado con el tiempo y ahora se ha extraído un total acumulado de 4.500 millones de quilates desde esa fecha. Aproximadamente el 20% de esa cantidad ha sido extraída en los últimos 5 años, y durante los últimos diez años, 9 nuevas minas han comenzado la producción, mientras que otras 4 están esperando a ser abiertas pronto. La mayoría de estas minas se encuentran en Canadá, Zimbabwe, Angola y una en Rusia.

En los Estados Unidos, se han encontrado diamantes en Arkansas, Colorado y Montana. En 2004, un descubrimiento sorprendente de un diamante microscópico en los Estados Unidos condujo al muestreo masivo de enero de 2008 de tubos de kimberlita en una parte remota de Montana.

En la actualidad, la mayoría de los depósitos de diamantes comercialmente viables se encuentran en Rusia, Botswana, Australia y la República Democrática del Congo. En 2005, Rusia produjo casi una quinta parte de la producción mundial de diamantes, informa el British Geological Survey. Australia tiene la tubería diamantífera más rica con producción que alcanza niveles máximos de 42 toneladas métricas (41 toneladas largas, 46 toneladas cortas) por año en la década de 1990. También hay depósitos comerciales que se explotan activamente en los Territorios del Noroeste de Canadá, Siberia (principalmente en el territorio de Yakutia, por ejemplo, la tubería Mir y la tubería Udachnaya), Brasil y en el norte y el oeste de Australia.

Aplicaciones

Lápices para lápices mecánicos están hechos de grafito (a menudo mezclado con una arcilla o aglutinante sintético).

Palitos de vid y carbón comprimido.

Una tela de fibras de carbono tejidas

Solo cristal de carburo de silicio

El fullereno C 60 en forma cristalina

Endmills de carburo de tungsteno

El carbono es esencial para todos los sistemas vivientes conocidos, y sin él la vida tal como la conocemos no podría existir (ver bioquímica alternativa). El principal uso económico del carbono, además de los alimentos y la madera, es en forma de hidrocarburos, especialmente el gas metano, el combustible fósil y el petróleo crudo (petróleo). El petróleo crudo se destila en las refinerías de la industria petroquímica para producir gasolina, queroseno y otros productos. La celulosa es un polímero natural que contiene carbono producido por las plantas en forma de madera, algodón, lino y cáñamo. La celulosa se usa principalmente para mantener la estructura en las plantas. Los polímeros de carbono comercialmente valiosos de origen animal incluyen lana, cachemira y seda. Los plásticos están hechos de polímeros de carbono sintéticos, a menudo con átomos de oxígeno y nitrógeno incluidos a intervalos regulares en la cadena principal del polímero.

Los usos del carbono y sus compuestos son extremadamente variados. Puede formar aleaciones con hierro, de las cuales la más común es el acero al carbono. El grafito se combina con las arcillas para formar el "plomo" utilizado en los lápices utilizados para escribir y dibujar. También se utiliza como lubricante y pigmento, como material de moldeo en la fabricación de vidrio, en electrodos para baterías secas y en galvanoplastia y electroformación, en cepillos para motores eléctricos y como moderador de neutrones en reactores nucleares.

El carbón vegetal se utiliza como material de dibujo en obras de arte, parrillas de barbacoa, fundición de hierro y en muchas otras aplicaciones. La madera, el carbón y el petróleo se utilizan como combustible para la producción de energía y calefacción. El diamante con calidad de gema se usa en joyería, y los diamantes industriales se usan en herramientas de perforación, corte y pulido para el mecanizado de metales y piedra. Los plásticos están hechos de hidrocarburos fósiles y la fibra de carbono, producida por pirólisis de fibras sintéticas de poliéster, se usa para reforzar los plásticos y formar materiales compuestos avanzados y livianos.

La fibra de carbono se produce por pirólisis de filamentos extruidos y estirados de poliacrilonitrilo (PAN) y otras sustancias orgánicas. La estructura cristalográfica y las propiedades mecánicas de la fibra dependen del tipo de material de partida y del procesamiento posterior. Las fibras de carbono hechas de PAN tienen una estructura similar a los filamentos estrechos de grafito, pero el procesamiento térmico puede reordenar la estructura en una hoja continua laminada. El resultado es fibras con mayor resistencia a la tracción específica que el acero.

El negro de carbón se utiliza como el pigmento negro en la tinta de impresión, la pintura al óleo del artista y las acuarelas, el papel carbón, los acabados para automóviles, la tinta china y el tóner para impresoras láser. El negro de carbón también se utiliza como relleno en productos de caucho como neumáticos y compuestos de plástico. El carbón activado se utiliza como absorbente y adsorbente en materiales de filtración en aplicaciones tan diversas como máscaras de gas, purificación de agua y campanas extractoras de cocina, y en medicina para absorber toxinas, venenos o gases del sistema digestivo. El carbono se usa en la reducción química a altas temperaturas. El coque se usa para reducir el mineral de hierro en hierro (fundición). El endurecimiento de acero se logra calentando los componentes de acero terminados en polvo de carbón. Carburos de silicio, tungsteno, boro y titanio, se encuentran entre los materiales más duros conocidos, y se utilizan como abrasivos en herramientas de corte y rectificado. Los compuestos de carbono componen la mayoría de los materiales utilizados en la ropa, como los textiles y el cuero natural y sintético, y casi todas las superficies interiores del entorno construido que no sean vidrio, piedra y metal.

Diamantes

La industria del diamante se divide en dos categorías: una tratada con diamantes de calidad gema y la otra, con diamantes de calidad industrial. Si bien existe una gran operación en ambos tipos de diamantes, los dos mercados actúan de maneras dramáticamente diferentes.

A diferencia de los metales preciosos como el oro o el platino, los diamantes gema no se comercializan como una mercancía: hay un margen sustancial en la venta de diamantes, y no hay un mercado muy activo para la reventa de diamantes.

Los diamantes industriales se valoran principalmente por su dureza y conductividad térmica, y las cualidades gemológicas de la claridad y el color son en su mayoría irrelevantes. Alrededor del 80% de los diamantes extraídos (equivalentes a unos 100 millones de quilates o 20 toneladas anuales) no son aptos para el uso, ya que las piedras preciosas se relegan para uso industrial (conocido como bort) . los diamantes sintéticos, inventados en la década de 1950, encontraron aplicaciones industriales casi inmediatas; Se producen 3 mil millones de quilates (600 toneladas) de diamante sintético anualmente.

El uso industrial dominante del diamante es el corte, la perforación, el esmerilado y el pulido. La mayoría de estas aplicaciones no requieren grandes diamantes; de hecho, la mayoría de los diamantes con calidad de gema, excepto por su pequeño tamaño, se pueden usar industrialmente. Los diamantes están incrustados en puntas de perforación o hojas de sierra, o molidos en un polvo para su uso en aplicaciones de pulido y lijado. Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como contención para experimentos de alta presión (ver yunque de diamante), rodamientos de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especializadas. Con los continuos avances en la producción de diamantes sintéticos, nuevas aplicaciones se vuelven factibles. Lo que más entusiasma es el posible uso del diamante como un semiconductor apto para microchips, y debido a su excepcional propiedad de conductancia térmica, como disipador de calor en la electrónica.

Precauciones

Trabajador en planta de negro de humo en Sunray, Texas (foto de John Vachon, 1942)

El carbono puro tiene una toxicidad extremadamente baja para los humanos y se puede manipular e incluso ingerir de forma segura en forma de grafito o carbón. Es resistente a la disolución o ataque químico, incluso en los contenidos ácidos del tracto digestivo. En consecuencia, una vez que ingresa en los tejidos del cuerpo es probable que permanezca allí indefinidamente. El negro de carbón fue probablemente uno de los primeros pigmentos que se usaron para tatuar, y se descubrió que Ötzi el Hombre de Hielo tenía tatuajes de carbono que sobrevivieron durante su vida y durante 5200 años después de su muerte. La inhalación de polvo de carbón u hollín (negro de carbón) en grandes cantidades puede ser peligroso, irritando los tejidos del pulmón y causando la enfermedad pulmonar congestiva, la neumoconiosis del trabajador del carbón. El polvo de diamante utilizado como abrasivo puede ser dañino si se ingiere o inhala. Las micropartículas de carbono se producen en los gases de escape del motor diesel, y puede acumularse en los pulmones. En estos ejemplos, el daño puede ser el resultado de contaminantes (p. Ej., Productos químicos orgánicos, metales pesados) y no del carbono en sí.

El carbono generalmente tiene baja toxicidad para la vida en la Tierra; pero las nanopartículas de carbono son letales para Drosophila .

El carbono puede quemarse de manera vigorosa y brillante en presencia de aire a altas temperaturas. Las grandes acumulaciones de carbón, que han permanecido inertes durante cientos de millones de años en ausencia de oxígeno, pueden combustionarse espontáneamente al exponerse al aire en los vertederos de desechos de la mina de carbón, bodegas de carga y búnkeres de carbón y depósitos de almacenamiento.

En aplicaciones nucleares en las que se usa grafito como moderador de neutrones, puede producirse una acumulación de energía de Wigner seguida de una liberación repentina y espontánea. El recocido a por lo menos 250 ° C puede liberar la energía de manera segura, aunque en el incendio de Windscale el procedimiento falló, causando la combustión de otros materiales del reactor.

La gran variedad de compuestos de carbono incluye venenos letales como la tetrodotoxina, la lectina ricina de las semillas de la planta de aceite de ricino Ricinus communis , cianuro (CN) y monóxido de carbono; y elementos esenciales para la vida como la glucosa y la proteína.

Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

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