Carbono

Ocarbono(dolatimcarbo,carvão, também chamadocarbóneo^[1]oucarbone^[2]) é umelemento químico,símboloC,número atômico6 (6prótonse 6elétrons),massa atómica12u,sólidoà temperatura ambiente.^[3]Como um membro dogrupo 14databela periódica,ele é um não metal etetravalente— portando quatroelétronsdisponíveis na forma de ligações covalentes. Há três isótopos com formação natural, com o¹²Ce¹³Csendo estável, onde o¹⁴Céradioativo,decompondo com umameia-vidade aproximadamente 5730 anos.^[4]Ele é um dos poucoselementos químicos que já foram descobertos na antiguidade.^[5]

Há váriosalótroposde carbono, e entre os mais conhecidos estão agrafite(ou grafita), odiamantee ocarbono amorfo.^[6]Aspropriedades físicasdo carbono variam de acordo com sua forma alotrópica. Por exemplo, o diamante é altamentetransparente,enquanto a grafite é um materialopacoe preto. O diamante é o material mais duro que se conhece na natureza, enquanto a grafite é um material macio a ponto de deixar um traço no papel (daí seu nome, da palavra grega "γράφω", escrever). O diamante tem uma baixíssimacondutividade elétrica,enquanto a grafite é um excelente condutor. Sob condições ambientais normais, o diamante, osnanotubos de carbono,ocarbino^[7]e ografenotêm uma elevadacondutividade térmicaentre todos os materiais conhecidos.

Todos os alótropos de carbono são sólidos em temperatura ambiente, com a grafite sendo o mais estável termodinâmico. Eles têm resistência química e requerem altas temperaturas para reagir com o oxigênio. O estado de oxidação mais comum do carbono em um composto inorgânico é o +4, onde +2 é encontrado nomonóxido de carbonoe outros complexos de carboxila metálica com metais de transição. A maior disponibilidade de compostos inorgânicos com carbono está nocalcário,nadolomitae odióxido de carbono,porém quantidades significativas são encontradas nas minas de carvão, nasturfas,nopetróleoe nas fontes dehidrato de carbono.É o elemento químico mais numeroso decompostos químicos,mais do que os outros elementos químicos, com quase dez milhões de compostos.^[8]

O carbono é o 15.°elemento químico mais abundante na crosta terrestree o 4.º elemento mais abundante no universo depois dohidrogênio,hélioe ooxigênio.Ele está presente em todas as formas de vida, e nocorpo humanoé o segundo elemento mais abundante em massa (cerca de 18,5%) depois do oxigênio.^[9]Esta abundância, em conjunto com a exclusiva diversidade e sua incomum capacidade de formarpolímerossob as diversas condições de temperatura naTerra,fazem do carbono um elemento básico para todas as formas de vidas conhecidas.

Características principais

O carbono é um elemento notável por várias razões. Suas formasalotrópicasincluem, surpreendentemente, uma das substâncias mais frágeis e baratas (agrafite,que é usada em lápis, por exemplo) e uma das mais rígidas e caras (odiamante). Mais ainda: apresenta uma grande afinidade para combinar-se quimicamente com outros átomos pequenos, incluindo átomos de carbono que podem formar largas cadeias. O seu pequenoraio atómicopermite-lhe formar cadeias múltiplas; assim, com ooxigênioforma odióxido de carbono,essencial para o crescimento dasplantas(verciclo do carbono); com ohidrogênioforma numerosos compostos denominados, genericamente,hidrocarbonetos,essenciais para a indústria e o transporte na forma de combustíveis derivados de petróleo e gás natural. Combinado com ambos forma uma grande variedade de compostos como, por exemplo, osácidos graxos,essenciais para a vida, e osésteresque dãosaboràs frutas. Além disso, fornece, através dociclo carbono-nitrogênio,parte daenergiaproduzida peloSole outrasestrelas.

Estados alotrópicos

São conhecidas quatro formasalotrópicasdo carbono,^[10]além daamorfa:grafite,diamante,fulerenosenanotubos.Em 22 de março de 2004 se anunciou a descoberta de uma quinta forma alotrópica: (nanoespumas). A formaamorfaé essencialmente grafite, porque não chega a adotar uma estrutura cristalina macroscópica. Esta é a forma presente na maioria doscarvõese nafuligem.

À pressão normal, o carbono adota a forma degrafiteestando cada átomo unido a outros três em um plano composto de células hexagonais; neste estado, 3elétronsse encontram emorbitaishíbridos planos sp² e o quarto em um orbitalp.

As duas formas de grafite conhecidas, alfa (hexagonal) e beta (romboédrica), apresentam propriedades físicas idênticas. As grafites naturais contêm mais de 30% de forma beta, enquanto a grafite sintética contém unicamente a forma alfa. A forma alfa pode transformar-se em beta através de procedimentos mecânicos, e esta recristalizar-se na forma alfa por aquecimento acima de 1 000°C.

Devido ao deslocamento doselétronsdoorbital pi,a grafite é condutor deeletricidade,propriedade que permite seu uso em processos deeletrólise.O material é frágil e as diferentes camadas, separadas por átomos intercalados, se encontram unidas porforças de Van der Waals,sendo relativamente fácil que umas deslizem sobre as outras.

Sobpressõeselevadas, o carbono adota a forma dediamante,na qual cada átomo está unido a outros quatro átomos de carbono, encontrando-se os 4 elétrons em orbitais sp³, como nos hidrocarbonetos. O diamante apresenta a mesma estrutura cúbica que osilícioe ogermânio,e devido à resistência daligação químicacarbono-carbono, é junto com onitreto de boro(BN) a substância maisduraconhecida. A transformação em grafite natemperaturaambiente é tão lenta que é indetectável. Sob certas condições, o carbonocristalizacomolonsdaleíta,uma forma similar ao diamante, porém hexagonal, encontrado nos meteoros.

O orbital híbrido sp¹, que formaligações covalentes,só é de interesse naquímica,manifestando-se em alguns compostos como, por exemplo, oacetileno.

Osfulerenostêm uma estrutura similar à da grafite, porém o empacotamento hexagonal se combina com pentágonos (e, possivelmente, heptágonos), o que curva os planos e permite o aparecimento de estruturas de formaesférica,elipsoidalecilíndrica.São constituídos por 60 átomos de carbono apresentando uma estrutura tridimensional similar a uma bola de futebol. As propriedades dos fulerenos não foram determinadas por completo, continuando a serem investigadas.

A esta família pertencem também osnanotubosde carbono, de forma cilíndrica, rematados em seus extremos por hemiesferas (fulerenos). Constituem um dos primeiros produtos industriais dananotecnologia.Investiga-se sua aplicabilidade em fios de nanocircuitos e emeletrônica molecular,já que, por ser derivado da grafite, conduz eletricidade em toda sua extensão. Os nanotubos são materiais extremamente resistentes e super leves, são substâncias que melhor conduzem calor (mas podem ser condutores ou semicondutores). Além disso, apresentam a maior resistência mecânica conhecida e, por isso, estão sendo cada vez mais utilizados no cotidiano.^[11]Possui ainda, grande aplicabilidade em compostos dinâmicos.

Abundância

O carbono não se criou durante oBig Bang^[12]porque havia necessidade da tripla colisão departículas alfa(núcleos atómicosdehélio), tendo ouniversose expandido e esfriado demasiadamente rápido para que a probabilidade deste acontecimento fosse significativa. Este processo ocorre no interior dasestrelas(na fase «RH (Rama horizontal)»), onde este elemento é abundante, encontrando-se também em outros corpos celestes como noscometase naatmosferasdosplanetas.Algunsmeteoritoscontêm diamantes microscópicos que se formaram quando osistema solarera ainda um disco protoplanetário.

Em combinação com outros elementos, o carbono se encontra na atmosfera terrestre e dissolvido na água, e acompanhado de menores quantidades decálcio,magnésioeferroforma enormes massasrochosas(calcita,dolomita,mármore,etc.).

De acordo com estudos realizados pelos cientistas, a estimativa de distribuição do carbono na terra é:

Biosfera, oceanos, atmosfera......3,7 x 10¹⁸mols

Crosta
Carbono orgânico..........................1,1 x 10²¹mols
Carbonatos....................................5,2 x 10²¹mols

Manto..............................................1,0 x 10²⁴mols

A grafite se encontra em grandes quantidades nosEstados Unidos,Rússia,México,GroelândiaeÍndia.

Os diamantes naturais se encontram associados arochas vulcânicas(kimberlitoelamproíto). Os maiores depósitos de diamantes se encontram nocontinente africano(África do Sul,Namíbia,Botswana,República do CongoeSerra Leoa). Existem também depósitos importantes noCanadá,Rússia,BrasileAustrália.

Isótopos

Em 1961 aIUPACadotou oisótopo¹²C como base para a determinação damassa atómicadoselementos químicos.

Ocarbono-14é umradioisótopocom umameia-vidade 5715 anos que se emprega de forma extensiva na datação de espécimes orgânicos.^[13]

Os isótopos naturais e estáveis do carbono são o¹²C (98,89%) e o¹³C (1,11%). As relações entre esses isótopos são expressas baseadas nas proporções encontradas no padrão inorgânico VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite). O valor isotópico da proporção entre¹²C/¹³C encontrado naatmosfera terrestreé da ordem de -8‰ (por mil). Esse valor é negativo pelo fato de que o padrão utilizado (VPDB), por ser um carbonato inorgânico, possui uma quantidade maior de¹³C que a grande maioria dos compostos orgânicos e da atmosfera.

A maioria dasplantas,denominadas plantas de ciclo metabólicoC3,apresentam valores isotópicos de carbono que variam entre -22 e -30‰; entretanto as plantas com o ciclo metabólico do tipoC4,como algumas gramineas por exemplo, apresentam valores mais enriquecidos em¹³C, da ordem de -6 a -12‰. Essa diferença se dá devido às diferenças na apreensão de CO₂durante esses dois distintos tipos de processos metabólicos que ocorrem nafotossíntese. Um terceiro grupo, constituído pelas plantas de metabolismo CAM (ciclo do ácido crassuláceo), apresenta valores entre cerca de -12 e -26‰, já que ambos os ciclos C3 e C4 são possíveis nessas plantas, influenciados por fatores ambientais. A proporção ente os isótopos¹²C e¹³C é também um importante marcador químico de processos metabólicos de plantas e animais sendo também utilizado amplamente em estudos ambientais, ecológicos e de cadeias tróficas de humanos e animais, atuais e pré-históricos, juntamente com os isótopos denitrogênio(¹⁴N/¹⁵N) eoxigênio(¹⁶O/¹⁸O) dentre outros.

Compostos

Compostos inorgânicos

O mais importanteóxidode carbono é odióxido de carbono(CO₂), um componente minoritário da atmosfera terrestre (na ordem de 0,04% em peso) produzido e usado pelos seres vivos (verciclo do carbono). Em água formaácido carbónico(H₂CO₃) — as bolhas de muitos refrigerantes — que igualmente a outros compostos similares é instável, ainda que através dele possam-se produziríons carbonatosestáveis porressonância.Alguns importantesminerais,como acalcitasãocarbonatos.Asrochas carbonáticas(calcários) são um grande reservatório de carbono oxidado na crosta terrestre.

Os outros óxidos são omonóxido de carbono(CO) e o raro subóxido de carbono (C₃O₂). O monóxido se forma durante a combustão incompleta de materiais orgânicos, e éincoloreinodoro.Como a molécula de CO contém uma tripla ligação, é muito polar, manifestando uma acusada tendência a unir-se ahemoglobina,o que impede a ligação dooxigênio.Diz-se, por isso, que é umasfixiantede substituição. O íoncianeto,(CN^-), tem uma estrutura similar e se comporta como os íonshaletos.O carbono, quando combinado comhidrogênio,formacarvão,petróleoegás naturalque são chamados dehidrocarbonetos.Ometanoé um hidrocarboneto gasoso, formado por um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio, muito abundante no interior da terra (manto). O metano também é encontrado em abundância próximo ao fundo dos oceanos e sob as geleiras (permafrost), formando hidratos de gás. Osvulcões de lamatambém emitem enormes quantidades de metano enquanto que os vulcões de magma emitem uma maior quantidade de gás carbônico, que possivelmente é produzido pela oxidação do metano.

Commetais,o carbono forma tantocarbetoscomoacetiletos,ambos muitoácidos.Apesar de ter umaeletronegatividadealta, o carbono pode formar carbetos covalentes, como é o caso docarbeto de silício(SiC), cujas propriedades se assemelham às dodiamante.

História e etimologia

O nome em inglêscarbonveio do latimcarbopara carvão ou brasa,^[14]onde também vem do francêscharbon,que significa brasa. No idioma alemão, holandês e dinamarquês, os nomes que originam do carbono sãoKohlenstoff (em alemão)ekoolstof(em holandês), todos literalmente significam substância de carvão.

O carbono foi descoberto na pré-história e foi conhecido na forma defuligemebrasanas civilizações humanas mais antigas. Os diamantes foram conhecidos provavelmente na China em aproximadamente 2500 a.C., enquanto o carbono na forma decarvãofoi feita na civilização romana com o mesmo processo químico que é utilizado até a atualidade, pela queima de madeira em uma pirâmide comargilapara diminuir a quantia de ar atmosférico.^[15]^[16]

Aplicações

Um tecido entrelaçado de filamento de carbono.

O principal uso industrial do carbono é como componente dehidrocarbonetos,^[17]especialmente os combustíveis como petróleo e gás natural; do primeiro se obtém pordestilaçãonasrefinarias gasolinas,queroseneeóleose, ainda, é usado como matéria-prima para a obtenção deplásticos,enquanto que o segundo está se impondo como fonte deenergiapor suacombustãomais limpa. Outros usos são:

O isótopocarbono-14,descoberto em 27 de fevereiro de 1940, se usa nadatação radiométrica;
A grafite se combina comargilapara fabricar a parte interna doslápis;
O diamante é empregado para a produção dejoiase como material de corte aproveitando suadureza;
Como elemento de liga principal dosaços(ligas deferro);
Em varetas de proteção dereatores nucleares;
As pastilhas de carbono são empregadas emmedicinapara absorver as toxinas do sistema digestivo e como remédio para aflatulência;
O carbono ativado se emprega em sistemas defiltraçãoe purificação daágua;
O Carbono-11,radioativocom emissão depósitronusado no examePETemmedicina nuclear;
Ocarvãoé muito utilizado nas indústrias siderúrgicas, como produtor deenergiae na indústria farmacêutica (na forma decarvão ativado);
O favo de carbono, um aglomerado tridimensional de folhas de carbono, pode prender grandes quantidades de gás dentro de células com seis lados. A estrutura descrita^[18]pode ser utilizada para armazenar gases ou líquidos, ou como um material de construção para os compostos mais complexos^[19].

As propriedades químicas e estruturais dos fulerenos, na forma de nanotubos, prometem usos futuros no campo da nanotecnologia (verNanotecnologia do carbono).

Osdiamantóidessão minúsculos cristais comforma cristalinacomposta por arranjos de átomos de carbono e também hidrogênio muito semelhante aodiamante.Os diamantóides são encontrados noshidrocarbonetosnaturais comopetróleo,gáse principalmente em condensados (óleosleves do petróleo). Têm importante aplicação nananotecnologia.

Precauções

Os compostos de carbono têm uma ampla variação detoxicidade.Omonóxido de carbono,presente nos gases de escape dos motores de combustão e ocianeto(CN) é extremamentetóxicopara osmamíferose, entre eles, os seres humanos. Osgasesorgânicoseteno,etinoemetanosãoexplosivoseinflamáveisem presença de ar. Muitos outroscompostos orgânicosnão são tóxicos, pelo contrário, são essenciais para a vida, como aglicose(C₆H₁₂O₆), em certos seres vivos.

Utilização

O principal uso industrial do carbono é como componente dehidrocarbonetos,especialmente os combustíveis como petróleo e gás natural; do primeiro se obtém por destilação nas refinarias gasolinas, querosene e óleos e, ainda, é usado como matéria-prima para a obtenção de plásticos, enquanto que o segundo está se impondo como fonte de energia por sua combustão mais limpa. Recentemente tem sido considerado um dos elementos principais para o desenvolvimento daeletrônica molecularou moletrônica.

Ver também

Referências

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↑S.A, Priberam Informática.«Dicionário Priberam da Língua Portuguesa».Dicionário Priberam da Língua Portuguesa.Consultado em 17 de maio de 2024
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↑Carbon Honeycomb High Capacity Storage for Gaseous and Liquid Speciespor Nina V. Krainyukova e Evgeniy N. Zubarev em "Phys. Rev." Lett. 116, 055501 – publicado em 2016 - DOI:116.055501
↑New carbon cluster has high storage capacity * Honeycomb structure could store gases, liquidspor SARAH SCHWARTZ em "ScienceNews" (2016)

Ligações externas

Commons

OCommonspossui imagens e outros ficheiros sobreCarbono

Carbono - TabelaPeriodica.org(emportuguês brasileiro).
«WebElements.com - Carbon»(em inglês)
«EnvironmentalChemistry.com - Carbon»(em inglês)
«It's Elemental - Carbon»(em inglês)
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