Carbono

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thumb|right|100px|Carbono Grafitethumb|left|90px|Carbono Diamante

O carbono ( do latim carbo, carvão ) é um elemento químico,símbolo C de número atômico 6 ( 6 prótons e 6 elétrons ) com massa atómica 12 u , e sólido a temperatura ambiente. Dependendo das condições de formação pode ser encontrado na natureza em diversas formas alotrópicas, carbono amorfo e cristalino em forma de grafite ou diamante.

É o pilar básico da química orgânica, se conhecem cerca de 10 milhões de compostos de carbono, e forma parte de todos os seres vivos.

Características principais

O carbono é um elemento notável por várias razões. Suas formas alotrópicas incluem, surpreendentemente, uma das substâncias mais frágeis (o grafite) e uma das mais duras (o diamante) e do o ponto de vista econômico um dos materiais mais baratos (carbono grafite) e um dos mais caros (diamante). 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 pequeno raio atómico permite-lhe formar cadeias múltiplas; assim, com o oxigênio forma o dióxido de carbono, vital para o crescimiento das plantas (ver ciclo do carbono); com o hidrogénio forma numerosos compostos denominados, genericamente, hidrocarbonetos, essenciais para a indústria e o transporte na forma de combustíveis fósseis. Combinado com ambos forma uma grande variedade de compostos como, por exemplo, os ácidos graxos, essenciais para a vida, e os ésteres que dão sabor às frutas. Além disso, fornece, através do ciclo carbono-nitrogênio, parte da energia produzida pelo Sol e outras estrelas.

Estados alotrópicos

São conhecidas quatro formas alotrópicas do carbono, além da amorfa: grafite, diamante, fulerenos e nanotubos. Em 22 de março de 2004 se anunciou a descoberta de uma quinta forma alotrópica: ( nanoespumas ) [1]. A forma amorfa é essencialmente grafite, porque não chega a adotar uma estrutura cristalina macroscópica. Esta é a forma presente na maioria dos carvões e na fuligem.

A pressão normal, o carbono adota a forma de grafite estando cada átomo unido a outros três em um plano composto de células hexagonais; neste estado, 3 elétrons se encontranm em orbitais híbridos planos sp² e o quarto em um orbital p.

As duas formas de grafite conhecidas, alfa (hexagonal) e beta (romboédrica), apresentam propriedades físicas idênticas. Os grafites naturais contêm mais de 30% de forma beta, enquanto o grafite sintético contém únicamente 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 1000 ºC.

Devido ao deslocamento dos elétrons do orbital pi, o grafite é condutor de eletricidade, propriedade que permite seu uso em processos de eletrólise. O material é frágil e as diferentes camadas, separadas por átomos intercalados, se encontram unidas por forças de Van de Waals, sendo relativamente fácil que umas deslizem sobre as outras.

Sob pressões elevadas, o carbono adota a forma de diamante, na qual cada átomo está unido a outros quatro átomos de carbono, encontrando-se os 4 elétrons em orbitaiss sp³, como nos hidrocarbonetos. O diamante apresenta a mesma estrutura cúbica que o silício e o germânio, e devido à resistência da ligação química carbono-carbono, é junto com o nitreto de boro (BN) a substância mais dura conhecida. A transformação em grafite na temperatura ambiente é tão lenta que é indetectável. Sob certas condições, o carbono cristaliza como lonsdaleíta, uma forma similar ao diamante, porém hexagonal, encontrado nos meteoros.

O orbital híbrido sp¹, que forma ligações covalentes, só é de interesse na química, manifestando-se em alguns compostos como, por exemplo, o acetileno.

Os fulerenos têm uma estrutura similar à do grafite, porém o empacotamento hexagonal se combina com pentágonos (e, possivelmente, heptágonos), o que curva os planos e permite o aparecimento de estruturas de forma esférica, elipsoidal e cilíndrica. 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 os nanotubos de carbono, de forma cilíndrica, rematados em seus extremos por hemiesferas (fulerenos). Constituem um dos primeiros produtos industriais da nanotecnologia.

Aplicacões

O principal uso industrial do carbono é como componente de hidrocarbonetos, especialmente os combustíveis fósséis petróleo e gás natural; do primeiro se obtêm 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. Outros usos são:

• O isótopo carbono-14, descoberto em 27 de fevereiro de 1940, se usa na datação radiométrica.
• O grafite se combina com argila para fabricar a parte interna dos lápis.
• O diamante é empregado para a produção de jóias e como material de corte aproveitando sua dureza.
• Como elemento de liga principal dos aços (ligas de ferro).
• Em varetas de proteção de reatores nucleares.
• As pastilhas de carbono são empregadas em medicina para absorver as toxinas do sistema digestivo e como remédio para a flatulência.
• O carbono ativado se emprega em sistemas de filtração e purificacão da água.
• O Carbono-11, radioactivo com emissão de positrão usado no exame PET em medicina nuclear.

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

História

O carbono (do latim carbo, carbono) foi descoberto na pré-história e era conhecido na antiguidade, sendo obtido da combustão incompleta de materiais orgânicos. Os últimos alótropos conhecidos, os fulerenos, foram descobertos como subproduto em experimentos realizados com estruturas moleculares na década de 80.

Abundância e obtenção

O carbono não se criou durante o Big Bang porque havia necessidade da tripla colisão de partículas alfa (núcleos atómicos de hélio), tendo o universo se expandido e esfriado demasiadamente rápido para que a probabilidade deste acontecimento fosse significativa. Este processo ocorre no interior das estrelas (na fase «RH (Rama horizontal)»), onde este elemento é abundante, encontrando-se também em outros corpos celestes como nos cometas e na atmosferas dos planetas. Alguns meteoritos contêm diamantes microscópicos que se formaram quando o sistema solar era ainda un disco protoplanetário.

Em combinacão com outros elementos, o carbono se encontra na atmosfera terrestre e dissolvido na água, e acompanhado de menores quantidades de cálcio, magnésio e ferro forma enormes massas rochosas (calcita, dolomita, mármore, etc.).

O grafite se encontra em grandes quantidades nos Estados Unidos, Rússia, México, Groelândia e Índia.

Os diamantes naturais se encontram associados a rochas vulcânicas (kimberlita e lamproíta). Os maiores depósitos de diamantes se encontram no continente africano (África do Sul, Namíbia, Botswana, República do Congo e Serra Leoa}. Existem também depósitos importantes no Canadá, Rússia, Brasil e Austrália.

Compostos inorgânicos

O mais importante óxido de carbono é o dióxido de carbono ( CO₂ ), um componente minoritário da atmosfera terrestre (na ordem de 0,04% em peso) produzido e usado pelos seres vivos (ver ciclo do carbono). Em água forma ácido carbónico ( H₂CO₃ ) — as bolhas de muitos refrigerantes — que igualmente a outros compostos similares é instável, ainda que através dele possam-se produzir íons carbonatos estáveis por ressonância. Alguns importantes minerais, como a calcita são carbonatos.

Os outros óxidos são o monóxido de carbono (CO) e o raro subóxido de carbono (C₃O₂). O monóxido se forma durante a combustão incompleta de materiais orgânicos, e é incolor e inodoro. Como a molécula de CO contém uma tripla ligação, é muito polar, manifestando uma acusada tendência a unir-se a hemoglobina, o que impede a ligação do oxigênio. Diz-se, por isso, que é um asfixiante de substituição. O íon cianeto, ( CN^- ), tem uma estrutura similar e se comporta como os íons haletos. O carbono, quando combinado com hidrogênio, forma carvão, petróleo e gás natural que são chamados de hidrocarbonetos.

Com metais, o carbono forma tanto carbetos como acetiletos, ambos muito ácidos. Apesar de ter uma eletronegatividade alta, o carbono pode formar carbetos covalentes, como é o caso do carbeto de silicio (SiC), cujas propriedades se assemelham às do diamante.

Isótopos

Em 1961 a IUPAC adotou o isótopo C-12 como base para a determinação da massa atómica dos elementos químicos.

O carbono-14 é um radioisótopo com uma meia-vida de 5715 anos que se emprega de forma extensiva na datação de espécimes orgânicos.

Os isótopos naturais e estáveis do carbono são o C-12 (98,89%) e o C-13 (1,11%). As proporções destes isótopos são expressas em variação percentual (±‰) respeitando as normas VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite). A porcentagem de C-13 da atmosfera terrestre é 7%.

A maioria das plantas apresentam valores de C-13 entre 24 e 34%; outras plantas aquáticas, de deserto, de orlas marítimas e gramas tropicais, apresentam valores de C-13 entre 6 e 19% devido às diferencas na reação de fotossíntese; um terceiro grupo, constituído pelas algas e líquens, apresenta valores entre 12 e 23%. O estudo comparativo dos valores de C-13 em plantas e organismos pode proporcionar valiosa informação relativa à cadeia alimentar dos seres vivos.

Precaucões

Os compostos de carbono têm uma ampla variação de toxicidade. O monóxido de carbono, presente nos gases de escape dos motores de combustão e o cianógeno (CN) são extremadamente tóxicos para os mamíferos e, entre eles, as pessoas. Os gases orgânicos eteno, etino e metano são explosivos e inflamáveis em presença de ar. Muitos outros compostos orgânicos não são tóxicos, pelo contrário, são essenciais para a vida.

Links externos

• http://www.carbon.es.tt(Divulgaçao sobre ciência e tecnologia dos materiais do carvão com múltiplos aspectos curiosos sobre o elemento carbono e seus alótropos, em espanhol)

también en: http://www.oviedo.es/personales/carbon

• WebElements.com - Carbono
• EnvironmentalChemistry.com - Carbono
• It's Elemental - Carbono
• Fullerenos y otros estados alotrópicos; modelos realizados por Vincent Herr.
• Enciclopdeia Libre

Keywords: Carbono, 1940, 1961, 2004, 22 de março, 27 de fevereiro, Acetileno, Alga, Alotropia, Ano