Há váriosalótropos de carbono, e entre os mais conhecidos estão agrafite (ou grafita), odiamante e ocarbono amorfo.[6] Aspropriedades físicas do carbono variam de acordo com sua forma alotrópica. Por exemplo, o diamante é altamentetransparente, enquanto a grafite é um materialopaco e preto. O diamante é o material mais duro que se conhece na natureza, enquanto a grafite é um material macio a ponto de deixar um traço no papel (daí seu nome, da palavra grega "γράφω", escrever). O diamante tem uma baixíssimacondutividade elétrica, enquanto a grafite é um excelente condutor. Sob condições ambientais normais, o diamante, osnanotubos de carbono, ocarbino[7] e ografeno têm uma elevadacondutividade 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 nomonóxido de carbono e outros complexos de carboxila metálica com metais de transição. A maior disponibilidade de compostos inorgânicos com carbono está nocalcário, nadolomita e odióxido de carbono, porém quantidades significativas são encontradas nas minas de carvão, nasturfas, nopetróleo e nas fontes dehidrato de carbono. É o elemento químico mais numeroso decompostos químicos, mais do que os outros elementos químicos, com quase dez milhões de compostos.[8]
O carbono é o 15.°elemento químico mais abundante na crosta terrestre e o 4.º elemento mais abundante no universo depois dohidrogênio,hélio e ooxigênio. Ele está presente em todas as formas de vida, e nocorpo humano é o segundo elemento mais abundante em massa (cerca de 18,5%) depois do oxigênio.[9] Esta abundância, em conjunto com a exclusiva diversidade e sua incomum capacidade de formarpolímeros sob as diversas condições de temperatura naTerra, fazem do carbono um elemento básico para todas as formas de vidas conhecidas.
O carbono é um elemento notável por várias razões. Suas formasalotrópicas incluem, surpreendentemente, uma das substâncias mais frágeis e baratas (agrafite, que é usada em lápis, por exemplo) e uma das mais rígidas e caras (odiamante). 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 pequenoraio atómico permite-lhe formar cadeias múltiplas; assim, com ooxigênio forma odióxido de carbono, essencial para o crescimento dasplantas (verciclo do carbono); com ohidrogênio 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, osácidos graxos, essenciais para a vida, e osésteres que dãosabor às frutas. Além disso, fornece, através dociclo carbono-nitrogênio, parte daenergia produzida peloSol e outrasestrelas.
São conhecidas quatro formasalotrópicas do carbono,[10] além daamorfa:grafite,diamante,fulerenos enanotubos. Em 22 de março de 2004 se anunciou a descoberta de uma quinta forma alotrópica: (nanoespumas). A formaamorfa é essencialmente grafite, porque não chega a adotar uma estrutura cristalina macroscópica. Esta é a forma presente na maioria doscarvões e nafuligem.
À pressão normal, o carbono adota a forma degrafite estando cada átomo unido a outros três em um plano composto de células hexagonais; neste estado, 3elétrons se encontram emorbitais híbridos planos sp² e o quarto em um orbitalp.
As duas formas de grafite conhecidas, alfa (hexagonal) e beta (romboédrica), apresentam propriedades físicas idênticas. As grafites naturais contêm mais de 30% de forma beta, enquanto a grafite sintética 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 1 000°C.
Devido ao deslocamento doselétrons doorbital pi, a grafite é condutor deeletricidade, propriedade que permite seu uso em processos deeletrólise. O material é frágil e as diferentes camadas, separadas por átomos intercalados, se encontram unidas porforças de Van der Waals, sendo relativamente fácil que umas deslizem sobre as outras.
Sobpressões elevadas, o carbono adota a forma dediamante, 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 osilício e ogermânio, e devido à resistência daligação química carbono-carbono, é junto com onitreto de boro (BN) a substância maisdura conhecida. A transformação em grafite natemperatura ambiente é tão lenta que é indetectável. Sob certas condições, o carbonocristaliza comolonsdaleíta, uma forma similar ao diamante, porém hexagonal, encontrado nos meteoros.
O orbital híbrido sp¹, que formaligações covalentes, só é de interesse naquímica, manifestando-se em alguns compostos como, por exemplo, oacetileno.
Osfulerenos têm uma estrutura similar à da grafite, porém o empacotamento hexagonal se combina com pentágonos (e, possivelmente, heptágonos), o que curva os planos e permite o aparecimento de estruturas de formaesférica,elipsoidal ecilíndrica. 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 osnanotubos de carbono, de forma cilíndrica, rematados em seus extremos por hemiesferas (fulerenos). Constituem um dos primeiros produtos industriais dananotecnologia. Investiga-se sua aplicabilidade em fios de nanocircuitos e emeletrônica molecular, já que, por ser derivado da grafite, conduz eletricidade em toda sua extensão. Os nanotubos são materiais extremamente resistentes e super leves, são substâncias que melhor conduzem calor (mas podem ser condutores ou semicondutores). Além disso, apresentam a maior resistência mecânica conhecida e, por isso, estão sendo cada vez mais utilizados no cotidiano.[11] Possui ainda, grande aplicabilidade em compostos dinâmicos.
O carbono não se criou durante oBig Bang[12] porque havia necessidade da tripla colisão departículas alfa (núcleos atómicos dehélio), tendo ouniverso se expandido e esfriado demasiadamente rápido para que a probabilidade deste acontecimento fosse significativa. Este processo ocorre no interior dasestrelas (na fase «RH (Rama horizontal)»), onde este elemento é abundante, encontrando-se também em outros corpos celestes como noscometas e naatmosferas dosplanetas. Algunsmeteoritos contêm diamantes microscópicos que se formaram quando osistema solar era ainda um disco protoplanetário.
Em combinação com outros elementos, o carbono se encontra na atmosfera terrestre e dissolvido na água, e acompanhado de menores quantidades decálcio,magnésio eferro forma enormes massasrochosas (calcita,dolomita,mármore, etc.).
De acordo com estudos realizados pelos cientistas, a estimativa de distribuição do carbono na terra é:
Os isótopos naturais e estáveis do carbono são o12C (98,89%) e o13C (1,11%). As relações entre esses isótopos são expressas baseadas nas proporções encontradas no padrão inorgânico VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite). O valor isotópico da proporção entre12C/13C encontrado naatmosfera terrestre é da ordem de -8‰ (por mil). Esse valor é negativo pelo fato de que o padrão utilizado (VPDB), por ser um carbonato inorgânico, possui uma quantidade maior de13C que a grande maioria dos compostos orgânicos e da atmosfera.
A maioria dasplantas, denominadas plantas de ciclo metabólicoC3, apresentam valores isotópicos de carbono que variam entre -22 e -30‰; entretanto as plantas com o ciclo metabólico do tipoC4, como algumas gramineas por exemplo, apresentam valores mais enriquecidos em13C, da ordem de -6 a -12‰. Essa diferença se dá devido às diferenças na apreensão de CO2 durante esses dois distintos tipos de processos metabólicos que ocorrem nafotossíntese. Um terceiro grupo, constituído pelas plantas de metabolismo CAM (ciclo do ácido crassuláceo), apresenta valores entre cerca de -12 e -26‰, já que ambos os ciclos C3 e C4 são possíveis nessas plantas, influenciados por fatores ambientais. A proporção ente os isótopos12C e13C é também um importante marcador químico de processos metabólicos de plantas e animais sendo também utilizado amplamente em estudos ambientais, ecológicos e de cadeias tróficas de humanos e animais, atuais e pré-históricos, juntamente com os isótopos denitrogênio (14N/15N) eoxigênio (16O/18O) dentre outros.
O mais importanteóxido de carbono é odióxido de carbono (CO2), um componente minoritário da atmosfera terrestre (na ordem de 0,04% em peso) produzido e usado pelos seres vivos (verciclo do carbono). Em água formaácido carbónico (H2CO3) — as bolhas de muitos refrigerantes — que igualmente a outros compostos similares é instável, ainda que através dele possam-se produziríonscarbonatos estáveis porressonância. Alguns importantesminerais, como acalcita sãocarbonatos. Asrochas carbonáticas (calcários) são um grande reservatório de carbono oxidado na crosta terrestre.
Os outros óxidos são omonóxido de carbono (CO) e o raro subóxido de carbono (C3O2). O monóxido se forma durante a combustão incompleta de materiais orgânicos, e éincolor einodoro. Como a molécula de CO contém uma tripla ligação, é muito polar, manifestando uma acusada tendência a unir-se ahemoglobina, o que impede a ligação dooxigênio. Diz-se, por isso, que é umasfixiante de substituição. O íoncianeto, (CN-), tem uma estrutura similar e se comporta como os íonshaletos. O carbono, quando combinado comhidrogênio, formacarvão,petróleo egás natural que são chamados dehidrocarbonetos. Ometano é um hidrocarboneto gasoso, formado por um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio, muito abundante no interior da terra (manto). O metano também é encontrado em abundância próximo ao fundo dos oceanos e sob as geleiras (permafrost), formando hidratos de gás. Osvulcões de lama também emitem enormes quantidades de metano enquanto que os vulcões de magma emitem uma maior quantidade de gás carbônico, que possivelmente é produzido pela oxidação do metano.
O nome em inglêscarbon veio do latimcarbo para carvão ou brasa,[14] onde também vem do francêscharbon, que significa brasa. No idioma alemão, holandês e dinamarquês, os nomes que originam do carbono sãoKohlenstoff (em alemão) ekoolstof (em holandês), todos literalmente significam substância de carvão.
O carbono foi descoberto na pré-história e foi conhecido na forma defuligem ebrasa nas civilizações humanas mais antigas. Os diamantes foram conhecidos provavelmente na China em aproximadamente 2500 a.C., enquanto o carbono na forma decarvão foi feita na civilização romana com o mesmo processo químico que é utilizado até a atualidade, pela queima de madeira em uma pirâmide comargila para diminuir a quantia de ar atmosférico.[15][16]
O principal uso industrial do carbono é como componente dehidrocarbonetos,[17] especialmente os combustíveis como petróleo e gás natural; do primeiro se obtém pordestilação nasrefinariasgasolinas,querosene eóleos e, ainda, é usado como matéria-prima para a obtenção deplásticos, enquanto que o segundo está se impondo como fonte deenergia por suacombustão mais limpa. Outros usos são:
Ocarvão é muito utilizado nas indústrias siderúrgicas, como produtor deenergia e na indústria farmacêutica (na forma decarvão ativado);
O favo de carbono, um aglomerado tridimensional de folhas de carbono, pode prender grandes quantidades de gás dentro de células com seis lados. A estrutura descrita[18] pode ser utilizada para armazenar gases ou líquidos, ou como um material de construção para os compostos mais complexos[19].
As propriedades químicas e estruturais dos fulerenos, na forma de nanotubos, prometem usos futuros no campo da nanotecnologia (verNanotecnologia do carbono).
Osdiamantóides são minúsculos cristais comforma cristalina composta por arranjos de átomos de carbono e também hidrogênio muito semelhante aodiamante. Os diamantóides são encontrados noshidrocarbonetos naturais comopetróleo,gás e principalmente em condensados (óleos leves do petróleo). Têm importante aplicação nananotecnologia.
O principal uso industrial do carbono é como componente dehidrocarbonetos, especialmente os combustíveis como petróleo e gás natural; do primeiro se obtém por destilação nas refinarias gasolinas, querosene e óleos e, ainda, é usado como matéria-prima para a obtenção de plásticos, enquanto que o segundo está se impondo como fonte de energia por sua combustão mais limpa. Recentemente tem sido considerado um dos elementos principais para o desenvolvimento daeletrônica molecular ou moletrônica.
↑Farias, Robson Fernandes de (19 de fevereiro de 2002).«A Química do Tempo: Carbono 14»(PDF). Revista Química Nova na Escola. Consultado em 31 de janeiro de 2012
↑Shorter Oxford English Dictionary, Oxford University Press
