Diamante e grafite de um simples lápis são dois alótropos de um mesmo elemento químico, o carbono
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 rígidas e caras (o diamante), mas ha outros alótropos do carbono
Alotropia (do grego allos, outro, e tropos,
maneira) foi um nome criado por Jöns Jacob Berzelius e que
hoje designa o fenômeno em que um mesmo elemento químico pode
originar substâncias simples diferentes. As substâncias simples distintas são conhecidas
como alótropos.
Estes alótropos são diferentes modificações estruturais do elemento, ou seja, os átomos do elemento estão ligados entre si de
uma maneira diferente, como pode ser ilustrado na figura ao lado.
O carbono (do latim carbo,
carvão) é um elemento químico, símbolo C, número atômico 6
(6prótons e
6 elétrons), massa
atómica 12 u, sólido à
temperatura ambiente.1 Como
um membro do grupo 14 da tabela periódica,
ele é um não metal e tetravalente -
fazendo quatroelétrons disponíveis
na forma de ligações covalentes. Há três isótopos com formação natural, com
o 12C e 13C sendo
estável, onde o 14C é radioativo,
decompondo com uma meia-vida de
aproximadamente 5730 anos.2 Ele é um dos poucos elementos
químicos descobertos desde a antiquidade.
Há vários
alótropos de carbono, e entre os mais conhecidos estão a grafite,
o diamante e
o carbono amorfo.4 As propriedades físicas do
carbono variam de acordo com sua forma alotrópica. Por exemplo, o diamante é
altamente transparente,
enquanto a grafite é um material opaco e
preto. O diamante é um dos materiais mais duros que se conhecem na natureza,
onde a grafite é um material macio a ponto de conseguir riscar no papel (desde
o seu nome, da palavra grega "γράφω", que significa para escrever). O
diamante tem um baixíssima condutividade
elétrica, enquanto a grafite é um excelente condutor. Sob
condições ambientais normais, o diamante, os nanotubos de carbono e
o grafeno têm
uma elevada condutividade térmica entre
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 no monóxido de carbono e
outros complexos de carboxila metálica com metais de transição. A maior
disponibilidade de compostos inorgânicos com carbono está no calcário,
na dolomita e
o dióxido de carbono,
porém quantidades significativas são encontradas nas minas de carvão, nas turfas,
no petróleo e nas
fontes de hidrato de carbono.
É o elemento químico mais numeroso de compostos químicos ,
mais do que os outros elementos químicos, com quase dez milhões de compostos.
O carbono é o
15° elemento químico mais abundante na crosta terrestre e o 4° elemento mais
abundante no universo depois do hidrogênio, hélio e
o oxigênio. Ele está
presente em todas as formas de vida, e no corpo
humano é o segundo elemento mais abundante em massa
(cerca de 18,5%) depois do oxigênio.6 Esta
abundância, em conjunto com a exclusiva diversidade e sua incomum capacidade de
formar polímeros sob as
diversas condições de temperatura na Terra,
tornando-o este elemento básico para todas as formas de vidas conhecidas.
. 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,
essencial 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 combustíveis 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 daenergia produzida
pelo Sol e
outras estrelas.
São conhecidas
quatro formas alotrópicas do
carbono7 ,
além da amorfa: grafite, diamante, fulerenos e nanotubos.
Em 22 de março de 2004se
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.
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 orbitais 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 onitreto 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.
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 orbitais 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 onitreto 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 sp, 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. 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.Possui ainda, grande aplicabilidade em compostos dinâmicos.
