El átomo de carbono: hibridación, tetravalencia y formas alotrópicas

Esta lección es parte de Temario de Química de Undécimo año Lección 7 de 12

Por Andrea del Carmen actualizado el 26 de octubre de 2026 11 min de lectura

El azúcar que endulza el café, la proteína de los frijoles, el ADN de tus células, la gasolina, los plásticos y casi todos los medicamentos tienen algo en común: están formados por cadenas de átomos de carbono. La Real Sociedad de Química del Reino Unido señala que el carbono es esencial para la vida y que, combinado, se encuentra en todos los seres vivos. Una rama entera de la química estudia sus compuestos: la química orgánica.

En esta lección vas a conocer las nociones básicas para estudiarla: la tetravalencia y la hibridación del carbono, los enlaces sigma y pi, la homocombinación, el anfoterismo y las formas alotrópicas.

Definición

La química orgánica es la rama de la química que estudia los compuestos del carbono, con excepción de algunos muy sencillos, como el monóxido y el dióxido de carbono y los carbonatos, que tradicionalmente se estudian en la química inorgánica. Su base es el átomo de carbono, de número atómico 6, que tiene cuatro electrones de valencia y puede formar cuatro enlaces covalentes.

El átomo de carbono y su tetravalencia#

El carbono tiene 6 protones y, en estado neutro, 6 electrones. Su configuración electrónica es 1s² 2s² 2p², que la Real Sociedad de Química escribe abreviada como [He] 2s² 2p². Los dos electrones del primer nivel no participan en los enlaces; los cuatro del segundo nivel son sus electrones de valencia.

En el estado fundamental, los dos electrones 2p están desapareados, así que el carbono parecería capaz de formar solo dos enlaces. Sin embargo, en sus compuestos forma cuatro. La explicación es que un electrón 2s pasa a un orbital 2p vacío (estado excitado: 2s¹ 2p³), y así quedan cuatro electrones desapareados. La energía que cuesta esa promoción se recupera con creces al formar dos enlaces más.

Esta capacidad de formar cuatro enlaces covalentes se llama tetravalencia. En las fórmulas de los compuestos orgánicos que vas a estudiar, cada carbono tiene cuatro enlaces en total, contando los dobles como dos y los triples como tres.

Ejemplo. ¿Cuántos enlaces forma cada carbono en el eteno, H₂C=CH₂?

Solución. Cada carbono tiene dos enlaces simples con hidrógeno (2) y un enlace doble con el otro carbono (que cuenta como 2): 2 + 2 = 4. Se cumple la tetravalencia.

La hibridación: sp³, sp² y sp#

Los cuatro enlaces del metano (CH₄) son idénticos, aunque en el estado excitado el carbono tiene un orbital s y tres orbitales p, que son distintos. Para explicarlo se usa el modelo de la hibridación: los orbitales atómicos del carbono se combinan y forman orbitales nuevos, iguales entre sí, llamados orbitales híbridos. Según cuántos orbitales p se combinen, hay tres tipos:

Hibridación	Orbitales que se combinan	Geometría y ángulo	Enlaces del carbono	Ejemplo
sp³	1 s + 3 p → 4 híbridos sp³	Tetraédrica, 109,5°	4 simples	Metano, CH₄; etano, CH₃–CH₃
sp²	1 s + 2 p → 3 híbridos sp² (queda 1 p)	Trigonal plana, 120°	1 doble y 2 simples	Eteno, H₂C=CH₂
sp	1 s + 1 p → 2 híbridos sp (quedan 2 p)	Lineal, 180°	1 triple y 1 simple, o 2 dobles	Etino, HC≡CH; dióxido de carbono, O=C=O

Los ángulos salen de la repulsión entre pares de electrones: los orbitales se alejan lo más posible entre sí. Cuatro direcciones lo más separadas posible apuntan a los vértices de un tetraedro, tres quedan en un plano a 120° y dos quedan en línea recta.

Fórmula

ángulo tetraédrico = arccos(−1/3) ≈ 109,47°

Por eso se dice que el ángulo de enlace en el metano es de unos 109,5°.

Una regla práctica para saber la hibridación de un carbono: si solo tiene enlaces simples, es sp³; si tiene un enlace doble, es sp²; si tiene un enlace triple o dos dobles, es sp.

Enlaces sigma (σ) y pi (π)#

Un enlace sigma se forma cuando dos orbitales se superponen de frente, sobre la línea que une los dos núcleos. Es el más fuerte y permite que los átomos giren alrededor del enlace. Un enlace pi se forma cuando dos orbitales p sin hibridar, paralelos, se superponen de lado, por encima y por debajo de esa línea. Es más débil y no deja girar a los átomos: por eso un enlace doble es rígido.

Enlace simple: 1 σ.
Enlace doble: 1 σ + 1 π.
Enlace triple: 1 σ + 2 π.

Como un enlace doble o triple une los átomos con más electrones compartidos que uno simple, los átomos quedan más cerca: el enlace triple es más corto que el doble, y el doble, más corto que el simple.

Ejemplo. En el propeno, CH₂=CH–CH₃, indica la hibridación de cada carbono y cuenta los enlaces σ y π.

Solución. El primer y el segundo carbono comparten el enlace doble: son sp². El tercer carbono solo tiene enlaces simples: es sp³. Enlaces σ: 1 del doble C=C, 1 del enlace simple C–C y 6 de los enlaces C–H (2 + 1 + 3 hidrógenos), en total 1 + 1 + 6 = 8. Enlaces π: 1, el del enlace doble.

Ejemplo. En el but-1-ino, HC≡C–CH₂–CH₃, indica la hibridación de cada carbono y cuenta los enlaces σ y π.

Solución. Los dos carbonos del enlace triple son sp; los otros dos solo tienen enlaces simples y son sp³. Enlaces σ: 1 del triple, 2 de los enlaces simples C–C y 6 de los C–H (1 + 2 + 3), en total 1 + 2 + 6 = 9. Enlaces π: 2, los del enlace triple.

Homocombinación y anfoterismo del carbono#

Homocombinación (concatenación)#

La homocombinación es la capacidad del carbono de enlazarse con otros átomos de carbono y formar cadenas. La Real Sociedad de Química destaca que el carbono es único entre los elementos por su capacidad de formar cadenas fuertemente enlazadas, cerradas por átomos de hidrógeno, y de muy distintas longitudes. Las cadenas pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas (cerradas en anillo), con enlaces simples, dobles o triples. Esta propiedad, sumada a la tetravalencia, explica la enorme variedad de compuestos orgánicos.

Según cuántos carbonos tiene unidos, un carbono de una cadena se clasifica como primario (unido a 1 carbono), secundario (a 2), terciario (a 3) o cuaternario (a 4).

Ejemplo. Clasifica los carbonos del 2-metilpropano, CH₃–CH(CH₃)–CH₃.

Solución. El carbono central está unido a tres carbonos: es terciario. Los otros tres, los tres grupos CH₃, están unidos cada uno solo al carbono central: son primarios. Hay 3 carbonos primarios y 1 terciario, 4 carbonos en total.

Anfoterismo del carbono#

Se llama anfoterismo del carbono a su capacidad de combinarse tanto con elementos menos electronegativos que él como con elementos más electronegativos. Según la Real Sociedad de Química, en la escala de Pauling el carbono tiene una electronegatividad de 2,55, intermedia entre la del hidrógeno (2,20) y la del oxígeno (3,44). Como no tiende con fuerza ni a ganar ni a perder cuatro electrones, comparte electrones y forma enlaces covalentes: con el hidrógeno en el metano, con el oxígeno en el dióxido de carbono y con ambos en el azúcar o el alcohol. No debe confundirse con el carácter anfótero de algunas sustancias en las reacciones ácido-base.

Las formas alotrópicas del carbono#

Las formas alotrópicas son formas distintas en que se presenta un mismo elemento: los átomos son los mismos, pero se ordenan y se enlazan de otra manera, y por eso las propiedades cambian. La Real Sociedad de Química menciona como alótropos del carbono el diamante, el grafito, el grafeno, el carbono amorfo y los fulerenos.

Alótropo	Estructura	Propiedades y usos
Diamante	Cada carbono, sp³, unido a otros 4 en una red tridimensional de tetraedros	Incoloro, transparente y el material natural más duro que se conoce; no conduce la electricidad. Se usa para cortar rocas y perforar.
Grafito	Capas de hexágonos de carbonos sp²; las capas se unen por fuerzas débiles	Negro, brillante y blando; las capas se deslizan. Conduce la electricidad. Se usa en lápices y en escobillas de motores eléctricos.
Grafeno	Una sola capa de grafito, del grosor de un átomo	Según la RSC, junto con los fulerenos y los nanotubos revolucionó el desarrollo de la electrónica y la nanotecnología.
Fulerenos y nanotubos	Jaulas cerradas o tubos de carbonos unidos cada uno a otros tres	Materiales para la nanotecnología y la electrónica.
Carbono amorfo	Sin un orden regular	Carbón vegetal, hollín; el carbón activado se usa para purificar y filtrar.

La diferencia entre el diamante y el grafito se explica con la hibridación. En el diamante, los cuatro electrones de valencia de cada carbono están en enlaces σ fijos y no hay electrones libres: es aislante. En el grafito, cada carbono usa tres electrones en enlaces σ dentro de su capa y le queda un electrón en un orbital p; esos electrones forman nubes π que se extienden por toda la capa y se pueden mover, y por eso el grafito conduce la electricidad.

Ejemplo. Las recomendaciones de la IUPAC describen los fulerenos como jaulas cerradas de átomos de carbono, cada uno unido a otros tres, que en su definición original tienen 12 anillos de cinco miembros y el resto de seis. ¿Cuántos hexágonos tiene el fulereno C₆₀? Usa la fórmula de Euler: vértices − aristas + caras = 2.

Solución. Los vértices son los 60 átomos. Cada átomo forma 3 enlaces y cada enlace une 2 átomos, así que las aristas son 60 · 3 ÷ 2 = 90. Las caras son 2 − 60 + 90 = 32. Si 12 son pentágonos, los hexágonos son 32 − 12 = 20. Comprobación: 12 pentágonos aportan 12 · 5 = 60 vértices-de-cara y 20 hexágonos, 20 · 6 = 120; como cada átomo está en 3 caras, (60 + 120) ÷ 3 = 60 átomos.

La química orgánica en todo lo que somos y hacemos#

Los carbohidratos, las grasas, las proteínas y los ácidos nucleicos son compuestos orgánicos. Las plantas toman el carbono del dióxido de carbono del aire y lo convierten en azúcares durante la fotosíntesis; los animales lo obtienen al alimentarse de ellas. También son orgánicos los combustibles fósiles, los plásticos, muchos medicamentos, los colorantes y las fibras sintéticas.

Esa presencia tiene dos caras. La química orgánica permite producir alimentos, medicinas y materiales, pero la quema de combustibles fósiles devuelve a la atmósfera, como dióxido de carbono, carbono que estuvo guardado bajo tierra durante muchísimo tiempo, y muchos plásticos tardan mucho en degradarse. Entender cómo se enlaza el carbono es el primer paso para usar esa química con responsabilidad.

Ponte a prueba#

¿Por qué el carbono forma cuatro enlaces si en su estado fundamental solo tiene dos electrones desapareados?#

Porque uno de sus electrones 2s se promueve a un orbital 2p vacío. En ese estado excitado, 2s¹ 2p³, el carbono tiene cuatro electrones desapareados y puede formar cuatro enlaces covalentes. La energía invertida en la promoción se compensa con la que se libera al formar dos enlaces adicionales. Esa capacidad de formar cuatro enlaces se llama tetravalencia.

¿Cuántos enlaces sigma y cuántos pi tiene el etino (HC≡CH)?#

El enlace triple entre los dos carbonos tiene 1 enlace sigma y 2 enlaces pi. Además, cada carbono tiene un enlace simple con un hidrógeno, y cada uno de esos es un enlace sigma. En total hay 1 + 2 = 3 enlaces sigma y 2 enlaces pi. Los dos carbonos tienen hibridación sp y la molécula es lineal, con ángulos de 180°.

¿Qué hibridación tiene cada carbono del but-2-eno (CH₃–CH=CH–CH₃) y cuántos enlaces sigma tiene la molécula?#

Los carbonos de los extremos solo tienen enlaces simples: son sp³. Los dos carbonos centrales comparten el enlace doble: son sp². Enlaces sigma: 2 enlaces simples C–C, 1 sigma del enlace doble y 8 enlaces C–H (3 + 1 + 1 + 3), en total 2 + 1 + 8 = 11. Además hay 1 enlace pi, el del doble enlace.

¿Por qué el grafito conduce la electricidad y el diamante no, si los dos son carbono puro?#

Por la forma en que se enlazan sus átomos. En el diamante, cada carbono es sp³ y usa sus cuatro electrones de valencia en enlaces sigma fijos con otros cuatro carbonos, así que no quedan electrones libres. En el grafito, cada carbono es sp² y forma tres enlaces sigma en su capa; el cuarto electrón queda en un orbital p y forma nubes pi que se extienden por la capa, y esos electrones se pueden mover y conducir la corriente.

¿Qué es la homocombinación del carbono y por qué es importante?#

Es la capacidad del carbono de unirse con otros átomos de carbono para formar cadenas lineales, ramificadas o cíclicas, con enlaces simples, dobles o triples. Junto con la tetravalencia, permite construir moléculas de muchísimos tamaños y formas, desde el metano, con un carbono, hasta las proteínas y el ADN. Por eso existe una rama completa de la química dedicada a los compuestos del carbono.