Carbono (C) es un elemento muy flexible y puede formar varios iones diferentes. El carbono tiene una capa exterior que consta de 4 electrones de valencia. Esto significa que puede agregar 4 electrones para obtener una capa exterior completa o perder 4 electrones para deshacerse de su capa exterior.
Por lo tanto, un ion de carbono puede tener una carga de -4 a +4, dependiendo de si pierde o gana electrones. Aunque los estados de oxidación más comunes del carbono son +4 y + 2, el carbono es capaz de producir iones con estados de oxidación de +3, +1, -1, -2, y -3.
Estrictamente hablando, el carbono casi nunca forma iones monoatómicos independientes, como el sodio (Na) o el cloro (Cl). El carbono es generalmente un elemento muy estable que es resistente a ganar o perder electrones. El carbono es casi igual de electropositivo y electronegativo, por lo que rara vez tiene la necesidad de ganar o perder electrones. La mayoría de las veces, el carbono solo formará enlaces covalentes y compartirá electrones en lugar de formar un ion. Es totalmente posible crear iones de carbono monoatómicos, solo requiere una gran cantidad de energía que aumenta por cada electrón posterior que se elimina.
El carbono, sin embargo, es capaz de formar iones poliatómicos. La estructura electrónica flexible del carbono le permite formarse como núcleo de iones poliatómicos. Muchos de estos iones poliatómicos, incluido el carbono, son esenciales para la vida tal como la conocemos y desempeñan un papel importante en los organismos vivos. Otros son importantes para comprender el comportamiento de los minerales, y otros se utilizan en la industria como combustible, materiales de construcción y soluciones de limpieza. Debido a que el carbono es un elemento tan flexible, los muchos iones poliatómicos que el carbono puede formar varían ampliamente en sus propiedades.
«Definimos la química orgánica como la química de los compuestos de carbono.»- August Kekule
¿Qué Es Un Ion?
Un ion es un átomo o molécula que tiene una carga eléctrica no neutra. Los átomos eléctricamente neutros se convierten en iones a través de la eliminación o adición de electrones. Dado que los electrones tienen una carga igual y opuesta a los protones, la carga eléctrica neta de un ion proviene del átomo que tiene una cantidad desigual de protones y electrones. Los átomos individuales que son iones se denominan iones monoatómicos y las moléculas multiatómicas con una carga eléctrica no neutra se denominan iones poliatómicos. Los iones con carga positiva se llaman cationes y tienen más protones que electrones. Los iones con carga negativa se llaman aniones y tienen más electrones que protones. Los químicos representan iones añadiendo un superíndice positivo o negativo junto a la fórmula química de una sustancia. Un átomo de carbono que ha perdido un solo electrón y por lo tanto tiene una carga positiva se escribe como C1⁺. Por el contrario, un átomo de carbono que ha ganado un solo electrón y tiene una carga negativa se escribe C1 -.
La tendencia de un átomo o molécula a formar un catión está determinada por la energía de ionización de la sustancia. La energía de ionización es una medida de cuánta energía debe absorber el átomo o molécula para descargar uno de sus electrones, dejando así una carga positiva. En general, la eliminación de un solo electrón de un átomo neutro cuesta la menor cantidad de energía, con la energía de ionización requerida aumentando para cada electrón posterior. Por ejemplo, la 1ª energía de ionización para el carbono es 1086.5 kJ/mol. Es decir, se toma 1086.5 kJ de energía para extraer un electrón de un mol de carbono. La segunda energía de ionización para el carbono es de 2352,6 kJ / mol, más del doble de la energía requerida que la primera energía de ionización.
La tendencia de un átomo a formar un anión está determinada por su electronegatividad. La electronegatividad (EN) de una sustancia es una medida de cuánto atrae electrones la sustancia. Cuanto más electronegativo es un elemento, más probable es que adquiera electrones adicionales, por lo que es más probable que forme aniones. El carbono tiene un EN de 2,55 en la escala de Pauling, un valor aproximadamente en el medio. En contraste, el oxígeno (O) tiene un EN de 3,44; muy electronegativo. Es muy probable que el oxígeno llene sus dos ranuras de valencia abiertas con electrones para formar un anión O2.
Los iones hechos de átomos individuales se llaman monoatómicos. Los iones hechos de moléculas con múltiples átomos se llaman iones poliatómicos. Los iones poliatómicos son compuestos químicos que tienen una carga eléctrica no neutra. Al igual que los iones monoatómicos, los iones poliatómicos tienen una cantidad desigual de electrones y protones. Al escribir la fórmula para un poliatómico, el compuesto se escribe entre corchetes y la carga eléctrica se escribe como un superíndice fuera de los corchetes. El amonio, por ejemplo, es un ion poliatómico con una fórmula química de +. El amonio contiene un electrón menos que los protones y, por lo tanto, tiene una carga eléctrica total de +1. Otros iones poliatómicos incluyen hidróxido ( – ) y sulfato (2−).
Los iones no son lo mismo que la polaridad. Una molécula polar tiene una carga eléctrica parcial, mientras que los iones tienen cargas completas. La carga de un ion es siempre un valor entero. Los iones de sodio tienen una carga de +1, los iones de cloro una carga de -1. Las moléculas polares tienen dipolos de carga parcial y su valor de carga no es un entero. La carga del extremo negativo de oxígeno en el agua es de aproximadamente -2 / 3e, aproximadamente dos tercios de la carga de un solo electrón.
Carbono Como Un ion
Iones monoatómicos Con Carbono
Dado que el carbono es un elemento eléctricamente estable, casi nunca forma naturalmente iones de carbono monoatómicos independientes en forma de C3⁺ o C. -. No hay nada en particular que impida la formación de iones de carbono, solo el hecho de que requiere un poco de energía para hacerlo. En lugar de perder o ganar electrones, el carbono formará la mayor parte del tiempo un enlace covalente a través del intercambio de electrones. Por ejemplo, el carbono formará metano (CH4) al compartir sus 4 electrones exteriores con hidrógeno El hidrógeno no es lo suficientemente electronegativo como para tomar electrones del carbono y el carbono no es lo suficientemente electronegativo como para tomar electrones del hidrógeno. Por lo tanto, el carbono solo comparte cada uno de sus 4 electrones exteriores con el único electrón exterior de cada hidrógeno.
Una forma de formar iones de carbono monoatómicos independientes a partir de una nube de carbono gaseoso es con un láser. El carbono se sublimará en un gas a alta temperatura. Luego, se puede disparar un láser a los átomos de carbono individuales para eliminar electrones y producir iones de carbono. Teóricamente, se podría ionizar completamente un átomo de carbono eliminando todos sus electrones de esta manera. Este proceso no es particularmente práctico o útil, ya que cada electrón posterior eliminado del átomo de carbono requiere más y más energía.
Iones poliatómicos Con Carbono
El carbono, sin embargo, es capaz de producir naturalmente una serie de iones poliatómicos. Debido a que el carbono es un elemento muy flexible, los diversos iones poliatómicos que puede formar tienen propiedades químicas muy diferentes. Algunos son relativamente aburridos e inertes, mientras que otros pueden ser peligrosos o extremadamente volátiles. El carbono es uno de los componentes más frecuentes de los diversos iones poliatómicos naturales conocidos.
El carbono y el nitrógeno (N), por ejemplo, se combinan para formar el anión cianuro (−), un compuesto extremadamente venenoso. El cianuro está compuesto por un átomo de carbono unido triple a un átomo de nitrógeno. El cianuro es producido naturalmente por muchas plantas y hongos, a menudo como mecanismo de defensa. El cianuro puede unirse a un átomo de hidrógeno para formar ácido cianhídrico (HCN), un compuesto extremadamente corrosivo que puede ser mortal en pequeñas dosis.
Otro ion poliatómico común que contiene carbono es el carbonato (2 -). Los iones carbonatos forman enlaces iónicos con muchos otros compuestos para formar sales y minerales. La mayoría de las rocas sedimentarias contienen iones de carbonato, normalmente unidos al calcio para formar carbonato de calcio (CaCO3). Otros compuestos de carbonato incluyen carbonato de hierro (FeCO3) y carbonato de sodio (Na2CO3). El carbonato de calcio también es el componente principal de las conchas de moluscos y los esqueletos de coral.
«Me di cuenta de que era como una agencia de citas; los iones son las almas perdidas que buscan pareja; el electrolito es la agencia que puede ayudarlos a encontrarse.»- Victoria Finlay
Existe una importante familia de compuestos llamados carburos que se forman mediante la unión de iones de carbono con metales alcalinos y alcalinotérreos altamente electropositivos. Estos carburos se pueden dividir en tres grupos, dependiendo del carácter de los iones de carbono centrales. Los metanuros se forman con un núcleo C4, los acetiluros con un núcleo C₂2 y los sesquicarburos con un núcleo C44. La mayoría de estos compuestos de carburo se pueden producir descomponiendo compuestos de carbono unidos covalentemente.
El acetato compuesto es un importante ion poliatómico que contiene carbono. El acetato (−o -) es omnipresente en la naturaleza, ya que es uno de los principales bloques de construcción de la biosíntesis. El acetato en el cuerpo se utiliza para crear ácidos grasos, uno de los lípidos más importantes, y para producir acetil-CoA, que participa en la respiración celular.
Terapia de iones de carbono
Los iones de carbono también han encontrado un uso especializado para tratar tumores mediante radioterapia. La radioterapia con carbono consiste en tratar tumores disparando partículas de carbono altamente ionizadas en los tumores. Las partículas de carbono ionizado pueden dañar la estructura celular de las células tumorales, deteniendo su crecimiento y matándolas. La terapia de iones de carbono muestra beneficios sobre las formas tradicionales de radioterapia, ya que los núcleos más pesados de átomos de carbono permiten un tratamiento más preciso y potente. Los núcleos pesados, a diferencia de la radiación de fotones, son capaces de ser dirigidos por campos magnéticos, por lo que se pueden manipular con mayor precisión para atacar tumores.