Seguimos completando la Tabla Periódica de El Tamiz en esta serie, Conoce tus elementos, con el elemento químico de seis protones e, indudablemente, el más importante para nosotros como especie: el carbono.

El átomo de carbono neutro, al tener seis electrones (uno por cada protón), es de una enorme versatilidad (más aún que el elemento de cinco protones, el boro). Recuerda que la primera capa electrónica podía albergar dos electrones, de modo que en la segunda el carbono tiene cuatro, cuando el número máximo de esa segunda capa es ocho.

De manera que el carbono está “justo en medio”: puede perder electrones para quedarse con sólo la primera capa completa y ningún electrón en la segunda, puede ganar electrones para tener ocho en la segunda capa, y puede alcanzar estados intermedios entre los dos extremos. Es un átomo flexible - de hecho, es el más flexible de todos. No existe otro elemento químico que se acerque, ni de lejos, al número de compuestos que puede formar el carbono.

Para que te hagas una idea de la versatilidad de este elemento, puede formar más de diez millones de compuestos. ¡Diez millones! De hecho, existe una rama entera de la química dedicada a estudiar los compuestos del carbono - la llamada Química Orgánica. En parte, esto se debe a esta extraordinaria flexibilidad para formar compuestos, pero hay otros elementos en una situación relativamente similar a la del carbono (por ejemplo, el silicio). Existe otra cosa más que hace al carbono especial: la cantidad que existe.

Puede que recuerdes, si has leído la serie en orden, que el hidrógeno es el elemento más común del Universo, y que el helio es el siguiente. El carbono es el cuarto elemento más común, detrás de otro del que aún no hemos hablado en esta serie (el oxígeno). La formación típica del carbono se produce en el núcleo de las estrellas que fusionan tres núcleos de helio (recuerda que tenía dos protones) - los tres núcleos colisionan a la vez y forman un núcleo de carbono. Posteriormente, si la estrella se convierte en una supernova, el carbono producido se dispersa por el Universo…y es asimilado en las nubes gaseosas que forman nuevas estrellas.

Nuestro Sol es una de estas estrellas “de segunda generación”, y todo el carbono que existe en nuestro Sistema Solar proviene de estrellas muertas que han dispersado este elemento por la galaxia. De ahí que estemos hechos de carbono: es un elemento extraordinariamente común e increíblemente flexible.

Incluso como elemento puro el carbono puede tomar diferentes formas de propiedades extremadamente diferentes, lo que también lo hace un elemento fascinante. Estas diferentes maneras de encontrar un elemento se denominan_ formas alotrópicas_ o simplemente alótropos (del griego “maneras diferentes”). ¡El carbono se presenta en muchas formas alotrópicas!

La más frecuente es el carbón, que es una forma amorfa (es decir, los átomos están unidos sin orden ni concierto). Esta forma es la que se encuentra en el hollín, en el carbón mineral, en el carbón vegetal, en la ceniza de la madera, etc. Es muy fácil de producir y, por lo tanto, el carbono es uno de los elementos que se conocen desde hace muchísimo tiempo - no hace falta un laboratorio para sintetizarlo. Incluso el nombre proviene del latín carbo, que significa “carbón”. Aunque estoy seguro de que lo has visto, ésta es la forma del carbono amorfo:

La segunda forma más frecuente es el grafito, en la que los átomos de carbono forman láminas asociadas unas a otras por fuerzas de van der Waals. Para saber bastante más sobre el grafito de lo que podría incluir en esta entrada, puedes leer este artículo en el que hablamos específicamente del grafito y su uso en los lápices.

La tercera forma más común (aunque no es demasiado común) es el diamante, en el que los átomos de carbono están unidos unos a otros formando tetraedros: cada átomo se une a otros cuatro situados en los vértices de un tetraedro, y cada uno de ellos está unido a otros cuatro igual, de modo que todos tienen ocho electrones en la última capa que comparten mediante cuatro enlaces covalentes. Esta estructura es de una estabilidad enorme, tanto que el diamante es el mineral natural más duro conocido:

Fíjate en cómo este camaleónico elemento puede formar dos compuestos tan diferentes: el grafito es uno de los sólidos más blandos conocidos, el diamante el más duro de forma natural. El grafito conduce la electricidad, el diamante es un aislante excelente. El grafito se usa como lubricante, el diamante es el mejor abrasivo que existe. El grafito es muy opaco y negro, el diamante es transparente. El grafito se usa como aislante térmico, el diamante es un excelente conductor del calor. Es difícil imaginar dos sustancias más diferentes….y ambas están hechas de los mismos átomos. Maravillas de los enlaces químicos.

Pero es que, además, existen otros alótropos del carbono que hemos fabricado nosotros artificialmente (aunque algunos ocurren, en cantidades muy pequeñas, de forma natural) y que tienen propiedades aún más interesantes. Aunque no vamos a detenernos en ellos aquí, pues este artículo habla del elemento químico, entre ellos se encuentran los nanotubos de carbono, los fullerenos (como las buckybolas), el grafeno, la nanoespuma de carbono… Todos ellos son de enorme importancia, sobre todo, para la nanotecnología, pues permiten construir estructuras ordenadas de tamaños inimaginablemente pequeños.

Por cierto, uno de estos alótropos artificiales, los nanocilindros de diamante agregado, son aún más duros que el diamante. Se consiguieron fabricar en 2005 y son capaces de rayar el diamante, algo que hasta hace poco se creía imposible.

Sin embargo, la importancia fundamental del carbono se encuentra en que forma moléculas orgánicas y, al menos hasta el momento, es la única base química para la vida. Dicho de otra manera: no hemos encontrado una sola forma de vida que no esté formada por compuestos del carbono. Existen teorías que predicen que es posible la vida basada en otros elementos “versátiles”, pero hasta ahora no se ha encontrado ninguna. Por otro lado, la única vida que conocemos está en la Tierra, que tiene muchísimo carbono, de modo que quién sabe lo que podemos encontrar ahí fuera.

Más o menos uno de cada cuatro kilos de tu masa es carbono. De carbono es la estructura de nuestro cuerpo, el combustible con el que funcionamos… somos “seres de carbono”, al igual que todos los seres vivos que conocemos. Por supuesto, construir estas moléculas orgánicas requiere átomos de carbono que hay que sacar de algún sitio - nosotros los sacamos de otros animales o de las plantas, y éstas de la atmósfera mediante la fotosíntesis (en la que, dicho mal y pronto, separan el carbono del oxígeno en la molécula de dióxido de carbono utilizando la energía del Sol).

Con estos “mini-ladrillos” de carbono construimos casi todas las moléculas que nos componen: la versatilidad de estos átomos los convierte en algo así como piezas de Lego con múltiples posibles conexiones, de modo que nuestras células pueden unir el carbono con otros átomos comunes (como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno…) para fabricar casi cualquier cosa que puedas imaginar. Del mismo modo, puede “desmontarse” la estructura y reconstruirla de otra forma diferente para obtener otro compuesto útil o energía. Todo nuestro metabolismo, al final, consiste en montar y desmontar estructuras de Lego en las que los átomos de carbono son algo así como las “piezas maestras” que permiten esas complicadas estructuras…tan complicadas que aún no las comprendemos todas.

Hexoquinasa - ¿enzima o estructura de Lego?

En la próxima entrada, otro elemento muy común, el de siete protones: el nitrógeno.