Alotropia do carbono

A alotropia do carbono é o fenômeno em que tal elemento pode ocorrer em diferentes variações estruturais, porém com a mesma composição química. São alótropos do carbono: a grafite, o diamante, o grafeno e o fulereno. Desses, a grafite é a mais estável termodinamicamente em condições ambiente.

Leia também: Alotropia — o conceito e outros casos

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre alotropia
• 2 - O que é alotropia do carbono?
• 3 - Formas alotrópicas do carbono
  • Grafite
  • Diamante
  • Grafeno
  • Fulereno
• 4 - O grafeno é uma forma alotrópica do carbono?
• 5 - Exercícios resolvidos sobre alotropia do carbono

Resumo sobre alotropia

• A alotropia do carbono é o fenômeno em que esse elemento pode apresentar-se em diferentes variações estruturais.
• Os alótropos possuem a mesma composição química, mas propriedades diferentes.
• A grafite é um bom lubrificante, além de macia e condutora de eletricidade.
• O diamante é reconhecido pela sua imensa dureza, além de ser bastante cobiçado na forma de gema.
• O grafeno apresenta propriedades mecânicas de destaque, ao passo que o fulereno vem sendo estudado para aplicações elétricas e condutoras.

O que é alotropia do carbono?

A alotropia do carbono é o fenômeno em que esse elemento ocorre em diferentes variações estruturais. Assim sendo, os alótropos do carbono apresentam a mesma composição química (obviamente, feitos de carbono), mas com uma organização espacial diferente para os átomos, de modo que se obtenham formas estruturais distintas.

Formas alotrópicas do carbono

Atualmente, consideram-se como formas alotrópicas do carbono a grafite, o diamante, o fulereno e o grafeno.

• Grafite

A grafite é o alótropo mais termodinamicamente estável do carbono. É uma das suas formas naturais e, estruturalmente, caracteriza-se como infinitas lâminas sobrepostas de anéis hexagonais de carbono com hibridização sp².

Cada carbono, portanto, liga-se covalentemente a outros três átomos de carbono, formando um grande arranjo planar de anéis hexagonais. As folhas de grafite, mantidas atraídas por meio de fracas forças de Van der Waals, apresentam uma distância próxima de 3,35 x 10⁻¹⁰ m.

A grafite apresenta propriedades lubrificantes, muito por conta da sua estrutura de folhas empilhadas, pois, uma vez que elas são mantidas por interações fracas (forças de Van der Waals), elas podem deslizar sobre as outras mediante a aplicação de pequenas forças.

Complementarmente, a grafite é um bom condutor de eletricidade e calor nas direções planares, já que a hibridização sp² deixa elétrons pi deslocalizados. Destaca-se também por sua inércia química, sendo bastante resistente à corrosão e ataques químicos. É considerada um material macio e de alto ponto de fusão (3650 °C). Tais propriedades permitem que ela seja utilizada em cerâmicas e refratários, peças e componentes como pastilhas de freios e escovas para motores elétricos, aditivo na metalurgia, eletrodo em baterias, entre outras aplicações.

• Diamante

O diamante é a substância mais dura que se conhece na natureza, o que quer dizer que nada é capaz de riscá-lo (é o topo da escala de Mohs, com valor igual a 10). É um pouco menos estável, termodinamicamente, que a grafite em condições ambiente, o que quer dizer que, em teoria, o diamante deveria se converter em grafite em tais condições.

Ocorre que, apesar da termodinâmica ser favorável, a velocidade dessa reação é extremamente lenta, o que torna o processo inviável do ponto de vista cinético. Apesar de duro, o diamante é muito pouco tenaz, o que o torna quebradiço mediante impactos. Industrialmente, explora-se suas propriedades abrasivas, usando-o como broca para perfuração de poços de petróleo, por exemplo, ou até mesmo para corte de metais e vidros. Na indústria, aliás, utiliza-se o diamante sintético, uma vez que há possibilidade de produção em larga escala.

Outro uso de diamante, muito mais conhecido e que desperta cobiça, é como gema, dado seu brilho adamantino, fruto do seu elevado índice de refração. A joalheria explora o uso de diamantes para comercialização de instrumentos de alto valor.

Estruturalmente, cada carbono apresenta hibridização sp³, ligando-se covalentemente a outros quatro átomos de carbono, adotando-se uma geometria tetraédrica.

• Grafeno

O grafeno é uma forma alotrópica que corresponde a uma das folhas da grafite, sendo, portanto, uma única folha de anéis hexagonais de carbono, todos com hibridização sp², com espessura de um átomo. É um material que desperta muito interesse, afinal, é extremamente leve e flexível, com uma resistência mecânica e condutividade térmica maiores do que qualquer material conhecido.

O grafeno ainda apresenta uma condutividade elétrica variável, podendo ir de semicondutor a comportamento metálico e, em alguns casos isolados, até mesmo supercondutor.

É quimicamente inerte, extremamente resistente à temperatura, apresenta alta área de superfície, além de alta transparência. Por fim, pode ser funcionalizado com outros grupos químicos. Além disso, é a partir do grafeno que se fazem os nanotubos de carbono, que são feitos quando uma folha de grafeno é enrolada, formando tubos nanométricos.

Vale dizer, entretanto, que não existe um único grafeno. Apesar de se propagar, corretamente, que se trata de uma única folha de átomos de carbono, ainda se considera como grafeno quando temos algumas folhas empilhadas. A partir de um certo número de camadas de folhas, entretanto, já não se chama mais de grafeno, mas sim, obviamente, de grafite (ou nanografite).

Apesar do grafeno ser uma única folha de grafite, não é tão fácil assim isolar o grafeno a partir da grafite, principalmente em larga escala. Apesar de fracas, as forças de Van der Waals são cumulativas e, vale dizer, no grafite, existem inúmeras camadas.

• Fulereno

Os fulerenos são alótropos de carbono que foram descobertos em 1985. Sendo escolhidas como as moléculas do ano de 1991 e conferindo o Prêmio Nobel de 1996 aos seus descobridores, Robert F. Curl Jr., Sir Harold W. Kroto e Richard E. Smalley. Os fulerenos possuem uma forma de gaiola e, por conta da tensão estrutural existente, alguns anéis hexagonais de carbono se tornam anéis pentagonais, o que faz com que nem todos os carbonos apresentem hibridização sp².

O fulereno tem esse nome a partir do seu nome completo, Buckyminsterfulereno, em alusão ao arquiteto americano Richard Buckminster Fuller. O fulereno de fórmula C₆₀ é chamado de buckyball, uma vez que se assemelha a uma bola de futebol. Os nanotubos, aliás, foram inicialmente desenvolvidos como sendo uma forma alongada das buckyballs, a partir dos trabalhos do japonês Iijima Sumio, em 1991.

Desde então, as propriedades dos fulerenos têm sido exaustivamente estudadas. Sabe-se que o C₆₀, embora rico em elétrons, comporta-se como uma espécie eletronegativa, reagindo facilmente com nucleófilos em reações de adição e de cicloadição. Essa característica eletronegativa do C₆₀ o coloca como candidato para uso em baterias e dispositivos eletrônicos avançados. Também é uma molécula que é capaz de adicionar átomos de hidrogênio e halogênios, os quais, uma vez adicionados, podem ser substituídos por outros grupos, como radicais fenil. Isso, sem dúvida alguma, abre um campo significativo para o estudo dos derivados de fulereno.

Compostos cristalinos de C₆₀ com metais alcalinos ou alcalino-terrosos apresentam comportamento supercondutor em temperaturas relativamente altas (−254 °C a −233 °C), sendo, assim, o único composto molecular a apresentar tal propriedade nessas condições.

As limitações do fulereno ficam por parte da sua baixa solubilidade em solventes usuais, sendo considerado insolúvel em solventes polares.

O grafeno é uma forma alotrópica do carbono?

Pensando-se que formas alotrópicas diferem uma das outras em termos de variação no arranjo estrutural, deve-se sim definir que o grafeno é uma forma alotrópica do carbono, junto com grafite, diamante e o fulereno.

O grafeno, como anteriormente debatido, corresponde a uma camada de átomos de carbono dispostos em anéis hexagonais e com hibridização sp². Vale lembrar que a espessura dessa camada é de apenas um átomo, sendo, portanto, pode ser descrito como sendo uma lâmina bidimensional do grafite.

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Exercícios resolvidos sobre alotropia do carbono

Questão 1. (Cesmac – Medicina – 2º dia/2019.1) O carbono é encontrado na natureza em diferentes arranjos e estruturas. O carbono diamante (C_diam) possui alto valor agregado e é formado sob alta pressão, possuindo estrutura onde o carbono realiza quatro ligações simples. Já o carbono grafite (C_graf) possui valor agregado muito baixo, comparado ao seu alótropo diamante e realiza ligações duplas conjugadas. As representações das estruturas dos átomos de carbono nos diferentes alótropos, diamante e grafite, estão representadas abaixo.

Diamante

Grafite

A partir das estruturas citadas e do enunciado da questão, podemos afirmar que a hibridização dos átomos de carbono presentes no diamante e no grafite são, respectivamente:

1. sp³ e sp.
2. sp² e sp².
3. sp³ e sp².
4. sp³ e sp³.
5. sp² e sp³.

Resposta: Letra C.

No diamante, os carbonos possuem um arranjo tetraédrico, com apenas ligações simples, o que os coloca com hibridização sp³. Já no grafite, os carbonos adotam uma geometria trigonal plana, apresentando, cada um, uma ligação dupla e duas ligações simples, o que os coloca com hibridização sp².

Questão 2. (UFG/2017.2) O fulereno e o grafeno podem ser considerados dois novos materiais com potencialidade para uso em diferentes aplicações tecnológicas.

Esses dois materiais são considerados alótropos do:

1. Nitrogênio.
2. Enxofre.
3. Carbono.
4. Fósforo.

Resposta: Letra C.

Fulereno e grafeno são formas alotrópicas do elemento químico carbono, assim como diamante e o grafite.

Fontes

WALTON, David R. M.; KROTO, Harold W. Fullerene. In: Encyclopedia Britannica. [S. l.], 9 mar. 2026. Disponível em: https://www.britannica.com/science/fullerene 

SANTOS, L. J. dos et al. Fulereno : química e aplicações. Química Nova, [s. l.], v. 33, n. 3, p. 680–693, 2010. DOI: 10.1590/S0100-40422010000300036. Disponível em: https://doi.org/10.1590/S0100-40422010000300036 

ZHANG, Fan. Understanding Allotropy: The Fascinating World of Different forms of Elements. Advanced Materials Science Research, [s. l.], v. 7, n. 5, p. 203-204, 18 out. 2024. DOI: 10.37532/aaasmr.2024.7(5).203-204.

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FALCAO, E. H.; WUDL, F. Carbon allotropes: beyond graphite and diamond. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, [s. l.], v. 82, p. 524-531, 2007. DOI: 10.1002/jctb.1693. Disponível em: https://doi.org/10.1002/jctb.1693.