O que é carbono?

O carbono é um elemento químico, de símbolo C e número atômico igual a 6, pertencente ao grupo 14 da Tabela Periódica. É um ametal que se apresenta, principalmente, na forma de dois alótropos, a grafite e o diamante. O carvão, também muito comum, é uma forma amorfa desse elemento. O carbono é também amplamente conhecido por ser o elemento principal da Química Orgânica.

As características do carbono dependem da sua forma alotrópica, que podem ser grafite e diamante, além do fulereno. Uma outra forma de carbono, recentemente descoberta, que também tem tido muito destaque é o grafeno cujas propriedades físicas e químicas são notáveis. O carbono é o segundo maior elemento em massa do nosso corpo, ele se movimenta pelo nosso planeta através de diversos processos geológicos e biológicos conhecidos como ciclo do carbono.

Leia também: Como é feita a classificação do carbono?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre carbono
• 2 - Afinal, o que é carbono?
• 3 - Características do carbono
  • Grafite e diamante 
  • Fulereno 
  • Grafeno e nanotubos
• 4 - Propriedades do carbono
• 5 - Para que serve o carbono?
• 6 - Fórmula do carbono
• 7 - Onde o carbono é encontrado?
• 8 - Carbono no corpo humano
• 9 - Ciclo do carbono
• 10 - Curiosidades sobre o carbono
• 11 - Exercícios resolvidos sobre carbono

Resumo sobre carbono

• O carbono (C) é um ametal de número atômico 6, localizado no grupo 14 da Tabela Periódica.
• Apresenta-se em algumas formas alotrópicas, destacando-se a grafite e o diamante.
• A grafite é um dos materiais mais macios que existem e o diamante, o material sólido mais duro que se conhece.
• O fulereno é outra forma alotrópica do carbono, assim como o recém-descoberto grafeno, que possui incríveis propriedades.
• Há também uma forma amorfa do carbono, conhecida como carvão, que também é encontrada na natureza.
• O carbono é o segundo maior elemento em massa na constituição do corpo humano.
• O ciclo do carbono descreve a forma como esse elemento se move globalmente através de processos naturais e biológicos.
• Esse ciclo envolve processos geológicos (movimentação na atmosfera, para solos e oceanos) e biológicos (respiração e fotossíntese).

Afinal, o que é carbono?

O carbono é um elemento químico, cujo símbolo é C. Seu número atômico é igual a 6 e o mesmo se encontra no 2º período da Tabela Periódica, sendo o primeiro elemento do grupo 14. É um ametal e, na natureza, apresenta-se na forma de dois alótropos, diamante e grafite, além de formas amorfas, como é o caso do carvão.

Características do carbono

As características do carbono são diretamente ligadas à forma alotrópica em que ele se apresenta. Contudo, antes de falarmos das formas alotrópicas, vale citar algumas características interessantes do átomo de carbono. A primeira delas é o fato do carbono, normalmente, realizar quatro ligações covalentes, tanto sigma quanto pi. Essas quatro ligações covalentes podem levar o carbono a apresentar distintas geometrias moleculares, podendo ser linear, trigonal plana ou tetraédrica.

Uma característica interessante é que a ligação covalente entre dois átomos de carbono apresenta alta energia e, dessa forma, o carbono é um dos elementos com maior habilidade de concatenação, ou seja, de se ligar a outros átomos de carbono, produzindo longas cadeias estáveis. É essa propriedade que permite ao carbono dar origem aos diversos compostos orgânicos, o que faz dele um dos elementos com mais compostos presentes na natureza.

• Grafite e diamante 

As duas formas alotrópicas mais comuns do carbono, além de serem as únicas observáveis naturalmente, são a grafite e o diamante, sendo a grafite a forma mais estável sob a ótica termodinâmica. O diamante é uma forma que chamamos de metaestável, ou seja, por mais que não seja a forma termodinâmica mais estável, ele existe sem apresentar quaisquer transformações observáveis.

O diamante é mais denso que a grafite e, dessa forma, é possível criar diamantes artificiais ao se submeter a grafite a pressões elevadas. Em termos de estrutura, o diamante possui um arranjo tridimensional infinito de carbonos com hibridização sp³ (tetraédricos), no qual estão interligados em anéis de seis carbonos. Já a grafite consiste em camadas planas de hexágonos de átomos de carbono com hibridização sp², com uma separação de 3,35 x 10⁻¹⁰ m entre as camadas.

As camadas da grafite são fracamente conectadas por meio de interações de Van der Waals, o que justifica o fato deste ser um dos materiais mais macios existentes, que também pode ser usado como lubrificante. Por outro lado, o diamante é o material sólido mais duro que se conhece. Outra diferença interessante é o fato do diamante ser um isolante, enquanto os infinitos elétrons pi deslocalizados da grafite lhe permitem condutividade elétrica.

A grafite é mais reativa que o diamante, sendo oxidado pelo O₂ em temperaturas acima dos 700 °C, enquanto o diamante queima em temperaturas acima dos 900 °C. Além disso, a grafite ainda é capaz de reagir com HNO₃ quente, produzindo um composto aromático de fórmula C₆(CO₂H)₆. Também é possível a reação da grafite com o flúor (F₂), obtendo-se a forma polimérica do fluoreto de carbono (CF_n). O diamante apresenta o maior ponto de fusão (cerca de 4000 °C), além de maior condutividade térmica.

• Fulereno 

O fulereno foi descoberto em 1985, após submeter a grafite à radiação laser em temperaturas acima dos 10000 °C. Essa forma alotrópica apresenta arquiteturas moleculares bem chamativas e, por conta disso, foi nomeada em homenagem ao arquiteto Buckminster Fuller, famoso por projetar domos geodésicos. Dessas, a mais famosa é a “buckyball”, de fórmula C₆₀, cuja estrutura geométrica se assemelha a uma bola de futebol.

• Grafeno e nanotubos

O grafeno consiste em uma folha plana de átomos de carbono organizados em células hexagonais com átomos hibridizados na forma sp², resultando em um elétron livre por átomo de carbono. Foi descoberto em 2004, embora já se teorizasse sobre ele muito antes, de modo que o grafeno era utilizado para explicar a formação de outras formas alotrópicas do carbono, como a grafite, o fulereno e os nanotubos.

O grafeno se destaca por suas propriedades incríveis, como uma alta resistência mecânica (maior que do aço), mobilidade eletrônica mais elevada que do silício, além de uma condutividade térmica maior que a do cobre. Além disso, ainda apresenta uma área superficial maior que a da grafite e é um material muito leve e flexível.

Os nanotubos de carbono, por sua vez, consistem em “folhas de grafeno enroladas”, com anéis de carbono hexagonais. Também são altamente flexíveis, com propriedades semicondutoras, além de alta resistência à tração. Foram descobertos em 1991.

Propriedades do carbono

• Símbolo: C
• Número atômico: 6
• Massa atômica: entre 12,0096 u.m.a e 12,0116 u.m.a
• Eletronegatividade: 2,55
• Ponto de fusão: acima dos 3550 °C (diamante); sublima em 3825 °C.]
• Ponto de ebulição: 5100 °C
• Densidade: 1,8 a 2,1 g/cm³ (amorfo); 1,9 a 2,3 g/cm³ (grafite); 3,15 a 3,53 g/cm³ (diamante)
• Configuração eletrônica: [He] 2s² 2p²
• Série química: grupo 14, ametais, elementos representativos
• Isótopos naturais: ¹²C (98,89%); ¹³C (1,11%); ¹⁴C (1,2 x 10⁻¹⁰%)

Veja também: Como se formam as cadeias carbônicas

Para que serve o carbono?

O carbono é um elemento muito versátil, sem dúvida alguma. Sendo o elemento básico da Química Orgânica, podemos dizer que ele está na composição de uma infinidade de compostos naturais e sintéticos, tais como óleos, medicamentos, combustíveis, produtos alimentícios, plásticos, resinas, solventes, entre outros. Para se ter uma noção, estima-se que sejam conhecidos, pelo menos, 10 milhões de compostos de carbono.

Porém, o papel dos compostos inorgânicos de carbono é esquecido, na maioria das vezes. O carvão, uma forma amorfa do carbono que pode ser de origem mineral ou vegetal, é amplamente empregado como combustível e fonte de energia. Foi essencial para a Primeira Revolução Industrial e ainda é utilizado em termoelétricas e locomotivas a vapor (as famosas “marias-fumaça”). Também é utilizado para aquecimento de lares e, obviamente, para cocção de alimentos, como em churrascos.

O carvão apresenta ainda uma forma conhecida como “carvão ativado”, que apresenta altíssima porosidade e, por causa disso, pode ser utilizada para purificação de águas, retirando compostos causadores de cor, gosto e odor.

Os demais usos se apropriam das características específicas de cada alótropo. O diamante, por exemplo, por ser o material sólido mais duro que existe, pode ser usado para cortes ou em abrasivos. Não só isso, os diamantes naturais lapidados possuem um altíssimo valor comercial e são utilizados para construção de joias de alto padrão.

Da grafite, aproveita-se a sua inércia, alta estabilidade térmica, condutibilidades térmica e elétrica, além de suas propriedades lubrificantes. Pode ser utilizada como material refratário ou aplicada em células combustíveis e baterias. Algo mais simples, porém muito conhecido em nosso cotidiano, é o uso da grafite para a escrita e a arte, uma vez que é um material extremamente macio (do ponto de vista da mineralogia, um material macio perde massa com facilidade para outro, ou seja, o papel consegue “extrair” massa da grafite ao escrevermos).

Embora o grafeno seja um material considerado novo (foi descoberto em 2004), suas características já vem sendo exploradas, como sua flexibilidade, resistência mecânica e transparência. O grafeno pode ser aplicado na fabricação de pás de turbinas eólicas, células solares, em baterias, células a combustível, supercapacitores, para armazenamento de gás hidrogênio, além de ser utilizado para dissipar calor.

Fibras de carbono também têm se popularizado em diversos setores da indústria. Esses materiais têm capacidade de aumentar a resistência mecânica das peças, além de conferirem flexibilidade e serem mais leves. Por isso, são importantes para redução de massa de materiais, sendo, portanto, aplicadas na indústria automotiva e aeroespacial, por exemplo. No cotidiano, as fibras de carbono têm melhorado o desempenho de atletas de alto rendimento, entrando na composição de bicicletas, raquetes de tênis, varas de pesca, entressola de tênis e pranchas de surf, por exemplo.

No campo da radioatividade, o isótopo de massa 14 do carbono, um beta emissor com um tempo de meia-vida na faixa de 5570 anos, é utilizado para a datação de fósseis, sendo essencial para estudos arqueológicos. Ao decair, o carbono-14 se converte em nitrogênio-14.

Fórmula do carbono

O carbono é geralmente referido como “C”. Essa notação pode ser aplicada para suas formas amorfas, como o carvão. Porém, como as formas alotrópicas, grafite e diamante, são muito comuns e diferentes, é comum fazer a diferenciação entre elas usando “C(graf.)” para a grafite e “C(diam.) para o diamante.

Dos alótropos existentes, apenas os fulerenos possuem fórmula molecular específica, como C₆₀, C₇₀, entre outras.

Onde o carbono é encontrado?

Na natureza, o carbono pode ser encontrado tanto na forma de diamante quanto de grafite e carvão. O diamante ocorre em rochas ígneas, sendo boa parte deles encontrados na Rússia, Botsuana, Congo e África do Sul. A kimberlita (ou quimberlito) é a principal rocha ígnea que possui diamantes e seu nome faz referência à região de Kimberly, na África do Sul, que foi o marco inicial da exploração de diamantes no continente africano.

Já a grafite natural pode ser encontrada em rochas metamórficas, como xistos, gnaisses e mármores, derivadas de carbonáceos de origem orgânica. Também é possível encontrar a grafite em veios hidrotermais, associados ao quartzo, biotita e a feldspatos, por exemplo.

Na década de 1990, foram descobertos depósitos naturais de fuligem com fulereno na composição, na Austrália, Nova Zelândia e América do Norte. Entre compostos orgânicos de carbono de origem mineral, também podemos destacar os hidrocarbonetos, principalmente o petróleo e o gás natural.

O carbono é também a base dos seres vivos e, quando eles morrem, sua decomposição permite o enriquecimento desse elemento na crosta terrestre. Por fim, vale destacar que o gás carbônico, presente em cerca de 0,04% da atmosfera terrestre, é também uma fonte de carbono vital para a fotossíntese.

Carbono no corpo humano

O carbono é o segundo elemento em termos de massa no nosso corpo, correspondendo a 18,5% da massa corporal de cada indivíduo, ficando atrás apenas do oxigênio. Esse elemento é essencial para o funcionamento do nosso corpo, uma vez que é a espinha dorsal de todas as moléculas orgânicas que nos formam.

Não há como negar que o carbono é a base da nossa vida, já que ele está presente na constituição do DNA, RNA, lipídios, carboidratos e das proteínas, por exemplo. Todo o mecanismo de funcionamento do nosso corpo depende da atuação desses compostos nos quais o carbono é o principal elemento. Ou seja, sem o carbono, não há como existir funcionamento celular, dos tecidos, dos órgãos e do nosso metabolismo.

Ciclo do carbono

O ciclo do carbono é importante para entendermos a movimentação desse elemento no meio ambiente. Esse ciclo é dividido em dois componentes:

• geológico, que é um processo mais lento, que fala sobre a movimentação do carbono da atmosfera para nossos solos e oceanos; e
• biológico, que é um processo mais rápido, que envolve basicamente os processos de respiração e fotossíntese.

O CO₂, que está presente na atmosfera, é absorvido por plantas através da fotossíntese (que também utiliza água e luz solar), produzindo glicose (C₆H₁₂O₆) e gás oxigênio. A glicose obtida serve de fonte de energia para as plantas e também é convertida em outras estruturas, como celulose, lipídio e proteínas, além do amido (que pode ser estocado). Tais plantas são consumidas por animais da base da cadeia alimentar e essa energia vai sendo transferida ao longo dessa cadeia, até que, durante a respiração, o carbono é recolocado no meio ambiente por meio do CO₂.

Seres vivos, ao morrerem, são decompostos e acabam enriquecendo de carbono a crosta terrestre e os oceanos. Tal material orgânico pode dar origem aos chamados combustíveis fósseis, como o petróleo e o gás natural, que, ao serem extraídos e queimados, devolvem CO₂ para a atmosfera.

Curiosidades sobre o carbono

• O carbono é o sexto elemento mais abundante do Universo, sendo o 19º mais abundante na crosta terrestre.
• Dentre os elementos químicos, é o que apresenta o maior ponto de fusão.
• É usado desde os primórdios da humanidade, havendo registros de 4000 a.C.
• O nome carbono vem de “carbo”, que significa carvão.
• O químico francês Antoine Lavoisier foi o primeiro a descrever o elemento, em 1779.
• A descoberta do grafeno rendeu um Prêmio Nobel de Física, em 2010, aos pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov.

Saiba mais: Como funcionam os créditos de carbono?

Exercícios resolvidos sobre carbono

Questão 1. (UFAM PSI – CG 2/2023) Com relação à grafite e ao diamante, é INCORRETO afirmar que eles:

1. são alótropos de carbono.
2. formam os mesmos números de ligações dentro de suas estruturas.
3. conduzem eletricidade.
4. têm usos diferentes.
5. são sólidos, sendo macio e duro, respectivamente.

Resposta: Letra C.

Embora a grafite apresente condutibilidade elétrica, o diamante é um isolante elétrico.

Questão 2. (UNIFOR Medicina/2019.1) O carbono está disponível na terra em formas orgânicas e inorgânicas e em quantidade finita. Quando presente em coisas vivas, o carbono é denominado de orgânico. O carbono inorgânico é encontrado em coisas não vivas (como rochas, conchas de animais), na atmosfera e nos oceanos. O dióxido de carbono é um gás importante na nossa atmosfera. Evita a fuga de calor e, ao fazê-lo, aquece a atmosfera da Terra. Funciona como o vidro de uma estufa, evita que o calor escape e, por essa razão, é chamado de gás de efeito estufa. O carbono se move através do sistema da Terra de vivo para não vivo de muitas maneiras diferentes.

Analise as seguintes afirmações sobre as formas cristalinas de apresentação do carbono:

1. O diamante é uma forma polimórfica metaestável do carbono nas condições normais de temperatura e pressão.
2. O monocristal de grafite é bom condutor de corrente elétrica em uma direção, mas não o é na direção perpendicular à mesma.
3. São formas polimórficas do carbono: grafite, diamante, fulereno C60 e nanotubos de carbono.
4. Na grafite, as ligações químicas entre os átomos de carbono são fortes com estrutura tetraédricas e entre camadas são fracas.
5. O material constituído por uma única camada de átomos de carbono que compõe o grafite é denominado grafeno.

 É correto apenas o que se afirma em

1. IV e V.
2. I, IV e V
3. II, IV e V.
4. I, II, III e IV.
5. I, II, III e V.

Resposta: Letra E.

Somente a afirmativa IV é incorreta, uma vez que, na grafite, os átomos de carbono não apresentam arranjo tetraédrico, já que as suas camadas são planares, com anéis hexagonais de carbono com hibridização sp². A estrutura que possui arranjo tetraédrico é o diamante.

Fontes

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