Características do átomo de carbono

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. Pertence ao grupo (ou família) 14 (anteriormente chamada 4A).
 
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 e baratas (o grafite) e uma das mais duras e caras (o 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 crescimento das plantas (ver ciclo do carbono); com o hidrogênio forma numerosos compostos denominados, genericamente, hidrocarbonetos, essenciais para a indústria e o transporte na forma de combustível derivados de petróleo e gás natural. 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). 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.

À 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 encontram 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 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 1000 °C.


Ficheiro:Diamond and graphite.jpg

 

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 der 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.

 

Ficheiro:Fullerene-C60.png

Fulereno-C60

 

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. Investiga-se sua aplicabilidade em fios de nanocircuitos e em eletrônica molecular, já que, por ser derivado do grafite, conduz eletricidade em toda sua extensão.

 

Aplicações

O principal uso industrial do carbono é como componente de hidrocarbonetos, 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. 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.
  • O carvão é muito utilizado nas indústrias siderúrgicas, como produtor de energia e na indústria farmacêutica (na forma de carvão ativado)

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

Os diamantóides são minúsculos cristais com forma cristalina composta por arranjos de átomos de carbono e também hidrogênio muito semelhante ao diamante. Os diamantóides são encontrados nos hidrocarbonetos naturais como petróleo, gás e principalmente em condensados (óleos leves do petróleo). Têm importante aplicação na nanotecnologia.

 

Abundância

O carbono não se criou durante o Big Bang porque havia necessidade da tripla colisão de partículas alfa (núcleos atômicos 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 um disco protoplanetário.

Em combinação 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.).

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

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

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

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

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

Os diamantes naturais se encontram associados a rochas vulcânicas (kimberlito e lamproíto). 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.

 

 

Boro - Carbono - Nitrogénio

C
Si

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Tabela Periódica
Geral

Nome, símbolo, número

Carbono, C, 6

Classe , série química

Não-metal , representativo

(família do carbono)

Grupo, período, bloco

14 ( IVA ), 2 , p

Densidade, dureza

2267 kg/m3,
0,5 (grafite)
10,0 (diamante)

Cor e aparência

Preto (grafite)
Incolor (diamante)

Propriedades atómicas

Massa atômica

12,0107(8) u

Raio atômico (calculado)

70 (67)pm

Raio covalente

77 pm

Raio de van der Waals

170 pm

Configuração electrônica

[He]2s²2p²

Elétrons por nível de energia

2, 4

Estado de oxidação (óxido)

4

Estrutura cristalina

Hexagonal

Propriedades físicas

Estado da matéria

sólido (Não magnético)

Volume molar

5,29 ×10-6 m3/mol

Entalpia de vaporização

355,8 kJ/mol (sublima)

Entalpia de fusão

N/A (sublima)

Pressão de vapor

0 Pa

Velocidade do som

18350 m/s

Informações diversas

Eletronegatividade

2,55 (Escala de Pauling)

Calor específico

710 J/(kg*K)

Condutividade elétrica

0,061 × 106/m ohm

Condutividade térmica

129 W/(m*K)

1º Potencial de ionização

1086,5 kJ/mol

2º Potencial de ionização

2352,6 kJ/mol

3º Potencial de ionização

4620,5 kJ/mol

4º Potencial de ionização

6222,7 kJ/mol

5º potencial de ionização

37831 kJ/mol

6º Potencial de ionização

47277,0 kJ/mol

Isótopos mais estáveis

iso

AN

Meia-vida

MD

ED MeV

PD

12C

98,9%

C é isótopo estável com 6 nêutrons

13C

1,1%

C é estável com 7 nêutrons

14C

vestígios

5730 anos

beta-

0,156

14N

Unidades SI e CNTP exceto onde indicado o contrário

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