O carbono é um elemento não metálico com um símbolo químico de C. É o quarto elemento mais abundante no universo e o 15º elemento mais abundante na crosta terrestre. É também o segundo elemento mais abundante em humanos depois do oxigênio. Sua composição química leva a várias propriedades exclusivas do carbono.
O carbono pertence ao Grupo 14 da tabela periódica. Seu número atômico é 6 e tem um peso atômico de 12,011. Os estados de oxidação do carbono podem variar de -4 a +4, onde +4 existe em compostos como metano e dissulfeto de carbono, e +2 para monóxido de carbono.
As propriedades físicas de diferentes alótropos de carbono os tornam úteis em baterias, eletrônicos e nanomateriais. Carbono também é o "rei dos elementos", formando quase 10 milhões de compostos até à data incluindo compostos orgânicos, inorgânicos e organometálicos.
Isótopos de carbono são amplamente usados para datação por radiocarbono (carbono-14), estrutura molecular e pesquisa médica (carbono-13). Além disso, as fibras de carbono apresentam excelentes propriedades mecânicas e são populares na engenharia aeroespacial e civil.
Alótropos de Carbono
Carbon tem diferentes formas alotrópicas, com diversas configurações moleculares e estruturas atômicas. As propriedades físicas do carbono variam muito com cada alótropo. Alguns dos alótropos de carbono mais conhecidos incluem grafite, diamante e fulerenos.
O grafite é um dos materiais mais suaves que se conhece e é usado em lápis e como lubrificante sólido. É também um bom condutor de eletricidade, sendo útil em baterias e painéis solares.
O grafeno é simplesmente uma camada atômica de grafite disposta em uma estrutura de favo de mel. Em uma camada de grafeno, cada átomo de carbono está ligado covalentemente a três outros átomos, deixando o quarto elétron livre para migrar no plano, daí sua condutividade elétrica.
O diamante, ao contrário, é a substância natural mais dura e uma das propriedades únicas do carbono. Tem quase o dobro da densidade da grafite, e cada átomo de carbono está ligado tetraedricamente a quatro outros sem elétrons de fluxo livre. Assim, o diamante é um mau condutor de eletricidade. O diamante também tem uma aparência límpida, ao contrário da grafite, que é opaca.
Os cientistas também sintetizaram outros alótropos de carbono, como fulerenos, nanofumas de carbono e outros. Eles possuem propriedades especiais e constituem uma área florescente de pesquisa em nanomateriais. Os fulerenos são um grupo de moléculas ocas de carbono em uma conformação de gaiola fechada (buckyball) ou cilíndrica (nanotubos de carbono).
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O C60 A buckyball foi descoberta por Sir Harold Kroto, Richard Smalley e Robert Curl Jr., usando um laser para vaporizar hastes de grafite em uma atmosfera de hélio. Os átomos de carbono são unidos por ligações simples e duplas para formar 12 faces pentagonais e 20 hexagonais em formato de bola de futebol. Seus esforços pioneiros renderam-lhes o Prêmio Nobel em 1996.
Nanotubos de carbono, que são versões alongadas de fulerenos, foram identificados por Iijima Sumio. Eles são excelentes condutores de calor e eletricidade e são úteis para a eletrônica.
Os nanotubos de carbono também demonstram resistência à tração impressionante e têm aplicações interessantes em materiais estruturais e medicina. No entanto, a síntese controlada de tais nanomateriais tem representado um grande desafio para os cientistas.
Reatividade Química do Carbono
O carbono forma a base da vida na Terra, com milhões de compostos que contêm carbono constituindo 18% de todos os seres vivos. Pode formar ligações covalentes estáveis com outros átomos e aparecer como longas cadeias ou anéis de fortes ligações carbono-carbono interconectadas. Isso contribui para a diversidade e complexidade dos compostos de carbono existentes na Terra.
Esses compostos de carbono incluem moléculas orgânicas como proteínas, carboidratos e DNA encontrados nas células de organismos vivos, bem como compostos inorgânicos como óxidos de carbono. O estudo das moléculas orgânicas constitui um campo especializado denominado química orgânica. O carbono também pode formar ligações covalentes com o metal como compostos organometálicos. A porfirina de ferro, que é o local de ligação ao oxigênio da hemoglobina, é um exemplo.
Apesar de sua abundância na natureza, o carbono é relativamente não reativo em condições normais. Na temperatura padrão, não é reativo com ácidos (ácido sulfúrico ou ácido clorídrico) ou álcalis. Também é estável à oxidação a esta temperatura. Em temperaturas mais altas, no entanto, o carbono pode reagir com o oxigênio para formar óxidos de carbono (CO2 e CO), com gás de enxofre para formar dissulfeto de carbono e com silício para formar carbonetos.
Isótopos de Carbono
Existem 15 isótopos de carbono conhecidos, dos quais carbono-12 (98,93 por cento do carbono natural) e carbono-13 (1,07 por cento) são os dois isótopos estáveis. O carbono-14 é o isótopo de vida mais longa, com meia-vida de 5.730 anos. O isótopo de carbono de vida mais curta é o carbono-8, e tem meia-vida de 1,98739 x 10−21 segundos.
O isótopo carbono-14 é representado por 146C, onde o pressuposto 14 é a massa atômica e o pressuposto 6 é o número atômico. O carbono-14 tem abundância natural muito baixa (0,0000000001 por cento), mas sua meia-vida longa o torna útil para datação radiométrica.
O carbono-14 é formado quando o nitrogênio-14 reage com os nêutrons da radiação cósmica, liberando um próton neste processo. O carbono-14 então reage com o oxigênio para gerar 14CO2, que é uniformemente distribuído na atmosfera com 12CO2.
147N + 10n> 146C + 11p
O ciclo do carbono começa quando os organismos vivos convertem o dióxido de carbono (14CO2 e 12CO2 da atmosfera) em compostos orgânicos por fotossíntese e liberá-los de volta para a atmosfera pela respiração. Neste equilíbrio, existe uma proporção fixa de 14CO2 e 12CO2 nos organismos. No entanto, quando eles morrem, o equilíbrio para e o carbono-14 sofre decadência beta para o nitrogênio-14 de acordo com sua meia-vida de 5.730 anos.
146C> 147N + 0-1e
A medição da proporção relativa de carbono-14 em um espécime morto permite, portanto, o cálculo do tempo decorrido após sua morte. Este método de datação por radiocarbono tem sido amplamente usado para datar fósseis e espécimes arqueológicos de 500 a 50.000 anos.
O carbono-13 é outro isótopo amplamente usado em muitas aplicações. Por exemplo, é usado em ressonância magnética nuclear (NMR) para determinar estruturas moleculares de compostos orgânicos. Ele também é usado como uma ferramenta de rotulagem em combinação com um espectrômetro de massa para pesquisas médicas.
Propriedades Mecânicas das Fibras de Carbono
O carbono também exibe propriedades mecânicas úteis, além de suas propriedades físicas, químicas e nucleares.
Pode formar ligas com o aço em aço carbono, cujo conteúdo de carbono varia de 0,05 a 2 por cento em peso. O aço de médio carbono (0,3-0,6 por cento de carbono) tem resistência e ductilidade equilibradas, bem como excelente resistência à tração. Por meio de um processo de tratamento térmico, o aço ultra-alto carbono (1,25-2 por cento de carbono) pode ser temperado até uma grande dureza e usado na fabricação de facas.
As fibras de carbono, que são fibras de 5 a 10 μm de espessura compostas principalmente de átomos de carbono, demonstram alto rigidez, resistência à tração, resistência química, tolerância à temperatura e baixo peso e térmico expansão. A tensão de escoamento do aço depende de seu tipo e o aço doce tem uma tensão de escoamento de 247 MPa. As fibras de carbono têm resistências à tração que variam de 1.600 a 6.370 MPa e, portanto, são populares no campo da indústria aeroespacial, engenharia civil e Esportes.
Quando uma tensão é exercida sobre um material, ele se deforma elasticamente no início. Nesse estágio, ele pode retornar à sua forma original quando a tensão for removida. Força de rendimento é definido como a tensão que um material pode suportar sem deformação permanente.
Quando atinge um ponto (ponto de escoamento superior) onde não pode mais retornar às suas dimensões originais, sofre deformação plástica, que é permanente e irreversível. A resistência à tração é a resistência máxima que um material pode suportar sem falhar ou quebrar.