CARBONO: PROPRIEDADES, ESTRUTURA, OBTENÇÃO, USOS - QUÍMICA - 2024

O carbono é um elemento químico não metálico cujo símbolo químico é C. denominado após carvão, vegetal ou mineral, onde seus átomos definem várias estruturas. Muitos autores o qualificam como o Rei dos elementos, pois forma uma ampla gama de compostos orgânicos e inorgânicos, e também ocorre em um número considerável de alótropos.

E se isso não bastasse para se referir a ele como um elemento especial, ele é encontrado em todos os seres vivos; todas as suas biomoléculas devem sua existência à estabilidade e resistência das ligações CC e sua alta tendência a concatenar. O carbono é o elemento da vida, e com seus átomos seus corpos são construídos.

A madeira das árvores é composta principalmente de carboidratos, um dos muitos compostos ricos em carbono. Fonte: Pexels.

Os compostos orgânicos com os quais os biomateriais são construídos consistem praticamente em esqueletos de carbono e heteroátomos. Elas podem ser vistas a olho nu na floresta das árvores; e também, quando um raio os atinge e os assa. O restante sólido preto inerte também contém carbono; mas é carvão.

Assim, existem manifestações “mortas” desse elemento: carvão, produto da combustão em ambientes pobres em oxigênio; e carvão mineral, produto de processos geológicos. Os dois sólidos são parecidos, são pretos e queimam para gerar calor e energia; embora com rendimentos diferentes.

Deste ponto em diante, o carbono é o 15º elemento mais abundante na crosta terrestre. Não é de admirar quando milhões de toneladas de carvão são produzidas anualmente. Esses minerais diferem em suas propriedades dependendo do grau de impurezas, colocando o antracito como o carvão mineral da mais alta qualidade.

A crosta terrestre não é apenas rica em carvão mineral, mas também em carbonatos, especialmente calcário e dolomita. E quanto ao Universo, é o quarto elemento mais abundante; Quer dizer, há mais carbono em outros planetas.

História do carbono

Retrospecto

O carbono pode ser tão antigo quanto a própria crosta terrestre. Desde tempos imemoriais, as civilizações antigas encontraram este elemento em suas muitas apresentações naturais: fuligem, carvão, carvão vegetal, carvão vegetal, diamantes, grafite, alcatrão de carvão, antracita, etc.

Todos esses sólidos, embora compartilhassem os tons escuros (com exceção do diamante), o resto de suas propriedades físicas, assim como sua composição, diferiam notavelmente. Naquela época, era impossível afirmar que eles consistiam essencialmente de átomos de carbono.

Foi assim que ao longo da história o carvão foi classificado de acordo com a sua qualidade na hora de queimar e fornecer calor. E com os gases formados por sua combustão, massas de água eram aquecidas, que por sua vez produziam vapores que moviam turbinas que geravam correntes elétricas.

O carbono de forma insuspeita estava presente no carvão produzido pela queima de árvores em espaços fechados ou herméticos; na grafite com que os lápis foram feitos; em diamantes usados ​​como gemas; ele era o responsável pela dureza do aço.

Sua história anda de mãos dadas com madeira, pólvora, gases de iluminação urbana, trens e navios, cerveja, lubrificantes e outros objetos essenciais para o avanço da humanidade.

Reconhecimento

Em que ponto os cientistas conseguiram associar os alótropos e minerais do carbono ao mesmo elemento? O carvão era visto como um mineral e não como um elemento químico digno da tabela periódica. O primeiro passo deveria ter sido mostrar que todos esses sólidos foram transformados no mesmo gás: dióxido de carbono, CO ₂.

Antoine Lavoisier em 1772, usando uma moldura de madeira com lentes grandes, focou os raios do sol em amostras de carvão e um diamante. Ele descobriu que nenhum deles formava vapores de água, mas CO ₂. Ele fez o mesmo com a fuligem e obteve os mesmos resultados.

Carl Wilhelm Scheele em 1779, descobriu a relação química entre carvão e grafite; ou seja, ambos os sólidos eram compostos dos mesmos átomos.

Smithson Tennant e William Hyde Wollaston em 1797 verificaram metodologicamente (por meio de reações) que o diamante era na verdade composto de carbono ao produzir CO ₂ em sua combustão.

Com esses resultados, logo foi lançada luz sobre o grafite e o diamante, sólidos formados pelo carbono e, portanto, de alta pureza; ao contrário dos sólidos impuros de carvão e outros minerais carbonáceos.

Propriedades

As propriedades físicas ou químicas encontradas em sólidos, minerais ou materiais carbonosos estão sujeitas a muitas variáveis. Entre eles estão: a composição ou grau de impurezas, as hibridizações dos átomos de carbono, a diversidade das estruturas e a morfologia ou tamanho dos poros.

Ao descrever as propriedades do carbono, a maioria dos textos ou fontes bibliográficas são baseadas em grafite e diamante.

Por quê? Porque eles são os alótropos mais conhecidos para este elemento e representam sólidos ou materiais de alta pureza; isto é, eles são praticamente feitos de nada mais do que átomos de carbono (embora com estruturas diferentes, como será explicado na próxima seção).

As propriedades do carvão vegetal e do carvão mineral diferem em suas origens ou composições, respectivamente. Por exemplo, a linhita (baixo teor de carbono) como combustível rasteja em comparação com a antracita (alto teor de carbono). E os outros alótropos: nanotubos, fulerenos, grafenos, graffins, etc.

No entanto, quimicamente eles têm um ponto em comum: eles oxidam com um excesso de oxigênio em CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Agora, a velocidade ou temperatura que eles precisam para oxidar são específicas para cada um desses alótropos.

Grafite vs diamante

Um breve comentário também será feito aqui a respeito das propriedades muito diferentes para esses dois alótropos:

Tabela na qual algumas propriedades dos dois alótropos cristalinos de carbono são comparadas. Fonte: Gabriel Bolívar.

Estrutura e configuração eletrônica

Hibridizações

Relação entre orbitais híbridos e possíveis estruturas de carbono. Fonte: Gabriel Bolívar.

A configuração eletrônica do átomo de carbono é 1s ² 2s ² 2p ², também escrita como 2s ² 2p ² (imagem superior). Essa representação corresponde ao seu estado fundamental: o átomo de carbono isolado e suspenso em um vácuo tal que não pode interagir com os outros.

Pode-se observar que um de seus orbitais 2p carece de elétrons, o que aceita um elétron do orbital 2s de menor energia por meio de promoção eletrônica; e assim, o átomo adquire a capacidade de formar até quatro ligações covalentes por meio de seus quatro orbitais híbridos sp ³.

Observe que todos os quatro orbitais sp ³ são degenerados em energia (alinhados no mesmo nível). Os orbitais p puros são mais energéticos, por isso são colocados acima dos outros orbitais híbridos (à direita da imagem).

Se houver três orbitais híbridos, é porque um orbital p não hibridizado permanece; portanto, eles são três orbitais sp ². E quando existem dois desses orbitais híbridos, dois orbitais p estão disponíveis para formar ligações duplas ou triplas, sendo a hibridização do carbono sp.

Esses aspectos eletrônicos são essenciais para entender por que o carbono pode ser encontrado em uma infinidade de alótropos.

Números de oxidação

Antes de prosseguir com as estruturas, vale ressaltar que, dada a configuração do elétron de valência 2s ² 2p ², o carbono pode ter os seguintes números de oxidação: +4, +2, 0, -2 e -4.

Por quê? Esses números correspondem à suposição de que existe uma ligação iônica de forma que você forma os íons com as respectivas cargas; isto é, C ^{4 +}, C ²⁺, C ⁰ (neutro), C ^2- e C ^4-.

Para que o carbono tenha um número de oxidação positivo, ele deve perder elétrons; E para fazer isso, ele precisa necessariamente estar ligado a átomos muito eletronegativos (como o oxigênio).

Enquanto isso, para que o carbono tenha um número de oxidação negativo, ele deve ganhar elétrons ligando-se a átomos metálicos ou menos eletronegativos do que ele (como o hidrogênio).

O primeiro número de oxidação, +4, significa que o carbono perdeu todos os seus elétrons de valência; os orbitais 2s e 2p permanecem vazios. Se o orbital 2p perder seus dois elétrons, o carbono terá um número de oxidação de +2; se você ganhar dois elétrons, terá -2; e se você ganhar mais dois elétrons ao completar seu octeto de valência, -4.

Exemplos

Por exemplo, para o CO _2, o número de oxidação do carbono é +4 (porque o oxigênio é mais eletronegativo); enquanto para CH ₄, é -4 (porque o hidrogênio é menos eletronegativo).

Para CH ₃ OH, o número de oxidação do carbono é -2 (+1 para H e -2 para O); enquanto para HCOOH, é +2 (verifique se a soma é 0).

Outros estados de oxidação, como -3 e +3, também são prováveis, especialmente quando se trata de moléculas orgânicas; por exemplo, nos grupos metilo, -CH ₃.

Geometrias moleculares

A imagem superior não só mostrou a hibridização dos orbitais para o átomo de carbono, mas também as geometrias moleculares resultantes quando vários átomos (esferas pretas) foram ligados a um central. Este átomo central para ter um ambiente geométrico específico no espaço, deve possuir a respectiva hibridização química que o permita.

Por exemplo, para o tetraedro, o carbono central tem hibridização sp ³; porque esse é o arranjo mais estável para os quatro orbitais híbridos sp ³. No caso dos carbonos sp ², eles podem formar ligações duplas e ter um ambiente planar trigonal; e então esses triângulos definem um hexágono perfeito. E para uma hibridização sp, os carbonos adotam uma geometria linear.

Assim, as geometrias observadas nas estruturas de todos os alótropos são simplesmente governadas por tetraedros (sp ³), hexágonos ou pentágonos (sp ²) e linhas (sp).

Os tetraedros definem uma estrutura 3D, enquanto hexágonos, pentágonos e linhas, estruturas 3D ou 2D; Os últimos são os planos ou folhas semelhantes às paredes dos favos de mel:

Parede com desenhos hexagonais de um favo de mel em analogia aos planos compostos de carbonos sp2. Fonte: Pixabay.

E se dobrarmos essa parede hexagonal (pentagonal ou mista), obteremos um tubo (nanotubos) ou uma bola (fulerenos), ou outra figura. As interações entre essas figuras dão origem a diferentes morfologias.

Sólidos amorfos ou cristalinos

Deixando de lado as geometrias, hibridizações ou morfologias das estruturas possíveis do carbono, seus sólidos podem ser globalmente classificados em dois tipos: amorfo ou cristalino. E entre essas duas classificações seus alótropos são distribuídos.

Carbono amorfo é simplesmente aquele que apresenta uma mistura arbitrária de tetraedros, hexágonos ou linhas, incapaz de estabelecer um padrão estrutural; tal é o caso do carvão, carvão vegetal ou carvão ativado, coque, fuligem, etc.

Enquanto o carbono cristalino consiste em padrões estruturais compostos por qualquer uma das geometrias propostas; por exemplo, diamante (rede tridimensional de tetraedros) e grafite (folhas hexagonais empilhadas).

Obtendo

O carbono pode ser puro como grafite ou diamante. Estes são encontrados em seus respectivos depósitos mineralógicos, espalhados por todo o globo e em diferentes países. É por isso que algumas nações são mais exportadoras de um desses minerais do que outras. Em suma, "você tem que cavar a terra" para obter o carbono.

O mesmo se aplica ao carvão mineral e seus tipos. Mas este não é o caso do carvão, uma vez que um corpo rico em carbono deve primeiro "perecer", seja sob o fogo ou sob um raio elétrico; é claro, na ausência de oxigênio, caso contrário, o CO ₂ seria liberado.

Uma floresta inteira é uma fonte de carbono como o carvão; não só por suas árvores, mas também por sua fauna.

Em geral, as amostras contendo carbono devem sofrer pirólise (queima na ausência de oxigênio) para liberar algumas das impurezas como gases; e assim, um sólido rico em carbono (amorfo ou cristalino) permanece como um resíduo.

Formulários

Novamente, como as propriedades e estrutura, os usos ou aplicações são consistentes com os alótropos ou formas mineralógicas do carbono. No entanto, existem algumas generalidades que podem ser mencionadas, além de alguns pontos bem conhecidos. São eles:

-O carbono tem sido usado por muito tempo como um agente redutor mineral na obtenção de metais puros; por exemplo, ferro, silício e fósforo, entre outros.

-É a pedra angular da vida, e a química orgânica e a bioquímica são os estudos desta reflexão.

-Também foi um combustível fóssil que permitiu às primeiras máquinas darem a partida. Da mesma forma, o gás carbônico para os antigos sistemas de iluminação era obtido a partir dele. O carvão era sinônimo de luz, calor e energia.

-Misturado como aditivo com ferro em diferentes proporções permitiu a invenção e aprimoramento dos aços.

-Sua cor preta deu-se na arte, principalmente na grafite e em todas as escritas feitas com suas linhas.

Riscos e precauções

O carbono e seus sólidos não representam nenhum risco à saúde. Quem se preocupa com um saco de carvão? Eles são vendidos em massa nos corredores de alguns mercados e, enquanto não houver fogo nas proximidades, seus blocos pretos não queimarão.

A coque, por outro lado, pode representar um risco se seu teor de enxofre for alto. Ao queimar, vai liberar gases sulfurosos que, além de tóxicos, contribuem para a chuva ácida. E embora o CO ₂ em pequenas quantidades não possa nos sufocar, ele tem um grande impacto no meio ambiente como gás de efeito estufa.

Nessa perspectiva, o carbono é um perigo de “longo prazo”, pois sua combustão altera o clima de nosso planeta.

E em um sentido mais físico, materiais sólidos ou carbonosos, se pulverizados, são facilmente transportados por correntes de ar; e, conseqüentemente, são introduzidos diretamente nos pulmões, o que pode causar danos irreparáveis.

De resto, é muito comum consumir “carvão” quando algum alimento é cozido.

Referências

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