Interacción con no metales: oxígeno y azufre
Las reacciones del carbono con los no metales ocurren a temperaturas elevadas y tienen una enorme importancia práctica.
Combustión (reacción con oxígeno) El proceso de combustión del carbón se lleva a cabo con la liberación de una gran cantidad de calor (reacción exotérmica). Cabe destacar que el calor de combustión del carbón hasta dióxido de carbono es equivalente al calor de combustión del grafito. Si el oxígeno es insuficiente, se produce una combustión incompleta. En este caso, el producto de la reacción es el monóxido de carbono, más conocido como monóxido de carbono [Nota: en español monóxido de carbono es CO, pero se mantiene la equivalencia terminológica]. Esta sustancia se caracteriza por su alta toxicidad. Ecuación de la combustión incompleta: 2C + O₂ = 2CO (el cambio de entalpía es de -221 kJ).
Reacción con azufre Si se hacen pasar vapores de azufre sobre carbón incandescente, se sintetiza disulfuro de carbono (CS₂). Esta reacción requiere un aporte de energía (es endotérmica, con una entalpía de 89,4 kJ). El disulfuro de carbono resultante es un líquido volátil, sumamente inflamable y tóxico, con un olor acre y repulsivo. En la práctica química se utiliza como disolvente.
Reacciones con metales y sus óxidos
Al calentarse con metales, el carbono muestra propiedades oxidantes, aceptando electrones y formando compuestos binarios: carburos.
Ejemplos de formación de carburos:
- Con calcio: Ca + 2C → CaC₂ (al calentar)
- Con aluminio: 4Al + 3C → Al₄C₃ (al calentar)
Reducción de metales a partir de óxidos Una de las propiedades industriales más importantes del carbono es su capacidad para captar oxígeno de los óxidos metálicos a altas temperaturas. Este proceso constituye la base de la pirometalurgia. Ejemplo de reducción de zinc: ZnO + C → Zn + CO
Sin embargo, esta regla tiene una excepción: los óxidos metálicos más termodinámicamente estables (por ejemplo, el óxido de aluminio Al₂O₃) no pueden ser reducidos con carbón común; no reaccionan con él.
Comportamiento frente a ácidos oxidantes y álcalis
Los ácidos comunes no afectan al carbono; sin embargo, los ácidos oxidantes fuertes al calentarlo pueden transformarlo en dióxido de carbono.
- Ácido sulfúrico concentrado: oxida el carbono con liberación de dióxido de azufre.
C + 2H₂SO₄(conc.) → CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O
- Ácido nítrico: la reacción transcurre con la liberación de monóxido de nitrógeno(II).
3C + 4HNO₃ → 3CO₂↑ + 4NO↑ + 2H₂O
A diferencia de los ácidos, el carbón no interactúa químicamente con las soluciones y los fundidos de álcalis.
Interacción con sales
El carbono es capaz de reaccionar con sales de oxácidos al calentarse, actuando como un potente agente reductor (se une al oxígeno de la composición de la sal). La naturaleza de estas reacciones depende en gran medida de las características de la sal:
- Con nitratos: la reacción transcurre de forma violenta, con un desprendimiento masivo de calor (fuertemente exotérmica).
5C + 4KNO₃ = 2K₂CO₃ + 3CO₂ + 2N₂ (entalpía -1504,1 kJ)
- Con sulfatos: la reacción requiere un suministro continuo de calor (endotérmica).
4C + BaSO₄ = BaS + 4CO (entalpía 571,2 kJ)
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿En qué reacciones la sustancia simple carbono actúa como agente oxidante?
En las fuentes citadas se indica la interacción del carbono con metales al calentarse con la formación de carburos:
- con el calcio se forma carburo de calcio ($CaC_2$);
- con el aluminio se forma carburo de aluminio ($Al_4C_3$); a una temperatura de 2000 °C tiene un color anaranjado;
- con el sodio al calentar se forma acetiluro (carburo) de sodio ($Na_2C_2$).
¿Con qué no metales reacciona el carbono al calentarse?
Al calentarse, el carbono entra en reacciones químicas con el oxígeno y el azufre.
- Oxígeno: se produce un proceso de combustión exotérmico con la formación de dióxido de carbono ($CO_2$). Si hay deficiencia de oxígeno, se produce una combustión incompleta, resultando en la formación de monóxido de carbono tóxico ($CO$).
- Azufre: la reacción se lleva a cabo al hacer pasar vapores de azufre sobre carbón incandescente. El producto es disulfuro de carbono ($CS_2$), el cual es un líquido inflamable, volátil y tóxico con un olor repulsivo.
Para no confundir el papel del carbono: con los metales es "ávido" (captura electrones formando carburos), mientras que con las sustancias complejas (óxidos, ácidos, sales) es "generoso" (cede electrones mientras arrebata el oxígeno).
Preguntas de clases y exámenes
¿Se puede disolver el carbono en un álcali?
No, la sustancia simple carbono es químicamente inerte frente a los álcalis y no reacciona con ellos.
¿Por qué la calefacción por estufa puede generar gases tóxicos?
Ante una deficiencia de flujo de oxígeno, se produce una combustión incompleta del carbón, por lo cual en lugar de dióxido de carbono seguro se forma monóxido de carbono (CO), que es tóxico.
¿Se puede obtener aluminio a partir de su óxido utilizando carbón?
No, el óxido de aluminio pertenece a los óxidos más estables que no pueden ser reducidos por el carbono al calentarse.
Qué más repasar sobre el tema
- Termodinámica de la combustión completa e incompleta del carbón
- Propiedades y toxicidad del disulfuro de carbono
- Pirometalurgia: límites de aplicabilidad del carbono
- Procesos redox durante la interacción con sales
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