Carbono



Carbono (do latim : carbo "carvão") é um elemento químico com símbolo C e número atômico 6. É não - metálico e tetravalente - produz quatro elétrons disponíveis para formar ligações químicas covalentes . Pertence ao grupo 14 da tabela periódica.  Três isótopos ocorrem naturalmente, 12 C e 13 C sendo estáveis, enquanto 14 C é um radionuclídeo , decaindo com uma meia-vidade cerca de 5.730 anos.  O carbono é um dos poucos elementos conhecidos desde a antiguidade .

O carbono é o 15º elemento mais abundante na crosta terrestre e o quarto elemento mais abundante no universo em massa, após hidrogênio , hélio e oxigênio . A abundância de carbono, sua diversidade única de compostos orgânicos e sua incomum capacidade de formar polímeros nas temperaturas normalmente encontradas na Terra, permitem que este elemento sirva como elemento comum a toda vida conhecida . É o segundo elemento mais abundante no corpo humano em massa (cerca de 18,5%) após o oxigênio.

Os átomos de carbono podem se unir de diferentes maneiras, chamados alótropos de carbono . Os mais conhecidos são grafite , diamante e carbono amorfo . As propriedades físicas do carbono variam amplamente com a forma alotrópica. Por exemplo, a grafite é opaca e preta, enquanto o diamante é altamente transparente . A grafite é macia o suficiente para formar uma linha no papel (daí seu nome, do verbo grego "γράφειν", que significa "escrever"), enquanto o diamante é o material natural mais difícil conhecido. Grafite é um bom condutor elétrico, enquanto o diamante tem um baixocondutividade elétrica . Em condições normais, diamante, nanotubos de carbono e grafeno têm as mais altas condutividades térmicas de todos os materiais conhecidos . Todos os alótropos de carbono são sólidos em condições normais, sendo a grafite a forma mais termodinamicamente estável à temperatura e pressão padrão. Eles são quimicamente resistentes e exigem alta temperatura para reagir mesmo com oxigênio.

O estado de oxidação mais comum do carbono em compostos inorgânicos é +4, enquanto que o +2 é encontrado em complexos de monóxido de carbono e carbonilo de metais de transição . As maiores fontes de carbono inorgânico são calcários , dolomitos e dióxido de carbono , mas quantidades significativas ocorrem em depósitos orgânicos de carvão , turfa , óleo e clatratos de metano . O carbono forma um vasto número de compostos , mais do que qualquer outro elemento, com quase dez milhões de compostos descritos até hoje,e ainda esse número é apenas uma fração do número de compostos teoricamente possíveis sob condições padrão. Por esta razão, o carbono tem sido frequentemente referido como o "rei dos elementos".

Características

Os alótropos do carbono incluem grafite , uma das substâncias mais macias conhecidas, e o diamante , a substância natural mais dura. Ele liga prontamente com outros pequenos átomos , incluindo outros átomos de carbono, e é capaz de formar múltiplas estáveis covalentes ligações com átomos de multivalentes adequados. O carbono é conhecido por formar quase dez milhões de compostos diferentes, uma grande maioria de todos os compostos químicos .  O carbono também possui o ponto de sublimação mais alto de todos os elementos. À pressão atmosférica não tem ponto de fusão, já que seu ponto triplo está em10,8 ± 0,2 MPa e 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300 ° C; 7,820 ± 540 ° F),  sublimando assim a cerca de 3.900 K (3.630 ° C; 6.560 ° F).A grafita é muito mais reativa do que o diamante em condições padrão, apesar de ser mais termodinamicamente estável, já que seu sistema pi deslocado é muito mais vulnerável a ataques. Por exemplo, a grafite pode ser oxidada pelo ácido nítrico concentrado a quente em condições padrão até o ácido melítico C 6 (CO 2 H) 6 , que preserva as unidades hexagonais de grafite enquanto quebra a estrutura maior.

O carbono sublima em um arco de carbono, que tem uma temperatura de cerca de 5800 K (5,530 ° C ou 9,980 ° F). Assim, independentemente da sua forma alotrópica, o carbono permanece sólido a temperaturas mais altas do que os metais de maior ponto de fusão, como o tungstênio ou o rênio . Embora termodinamicamente propenso à oxidação , o carbono resiste à oxidação mais efetivamente do que elementos como ferro e cobre , que são agentes redutores mais fracos à temperatura ambiente.

O carbono é o sexto elemento, com uma configuração eletrônica no estado fundamental de 1s 2 2s 2 2p 2 , dos quais os quatro elétrons externos são elétrons de valência . Suas primeiras quatro energias de ionização, 1086,5, 2352,6, 4620,5 e 6222,7 kJ / mol, são muito mais altas que aquelas dos elementos mais pesados ​​do grupo-14. A eletronegatividade do carbono é 2,5, significativamente maior do que os elementos mais pesados ​​do grupo-14 (1,8–1,9), mas próximo à maioria dos não-metais próximos, bem como alguns dos metais de transição da segunda e terceira fileiras . Raios covalentes do carbono são normalmente tomados como 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C = C) e 60.3 pm (C≡C), embora possam variar dependendo do número de coordenação e a que o carbono está ligado. Em geral, o raio covalente diminui com menor número de coordenação e maior ordem de ligação.

Os compostos de carbono formam a base de toda a vida conhecida na Terra , e o ciclo carbono-nitrogênio fornece parte da energia produzida pelo Sol e outras estrelas . Embora forma uma extraordinária variedade de compostos, a maioria das formas de carbono é comparativamente não reativa sob condições normais. À temperatura e pressão padrão, resiste a todos, exceto aos oxidantes mais fortes. Não reage com ácido sulfúrico , ácido clorídrico , cloro ou qualquer álcalis . Em temperaturas elevadas, o carbono reage com o oxigênio para formar óxidos de carbonoe vai roubar oxigênio dos óxidos metálicos para deixar o metal elementar. Esta reação exotérmica é usada na indústria de ferro e aço para fundir ferro e controlar o teor de carbono do aço :

Fe
3 O
4 + 4 C(s)→ 3 Fe(s)+ 4 CO(g)
O monóxido de carbono pode ser reciclado para cheirar ainda mais ferro:

Fe
3 O
4 + 4 CO(g)→ 3 Fe(s)+ 4CO
2 (g)
com enxofre para formar dissulfeto de carbono e com vapor na reação carvão-gás:

C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) .
O carbono combina-se com alguns metais a altas temperaturas para formar carbonetos metálicos, como a cementita de metal duro em aço e carboneto de tungstênio , amplamente utilizada como abrasivo e para fazer pontas duras para ferramentas de corte.

O sistema de alótropos de carbono abrange uma gama de extremos:

Grafite é um dos materiais mais macios conhecidos. O diamante nanocristalino sintético é o material mais duro conhecido.
O grafite é um lubrificante muito bom , exibindo superlubricidade . O diamante é o melhor abrasivo .
Grafite é um condutor de eletricidade.O diamante é um excelente isolante elétrico , e possui o maior campo elétrico de decomposição de qualquer material conhecido.
Algumas formas de grafite são usadas para isolamento térmico (ou seja, aceiros e protetores térmicos), mas algumas outras formas são bons condutores térmicos. O diamante é o condutor térmico de ocorrência natural mais conhecido
Grafite é opaca . O diamante é altamente transparente.
Grafite cristaliza no sistema hexagonal . O diamante cristaliza no sistema cúbico .
O carbono amorfo é completamente isotrópico . Os nanotubos de carbono estão entre os materiais mais anisotrópicos conhecidos.
Alótropos

O carbono atômico é uma espécie de vida muito curta e, portanto, o carbono é estabilizado em várias estruturas multi-atômicas com diferentes configurações moleculares chamadas alótropos . Os três alótropos de carbono relativamente bem conhecidos são carbono amorfo , grafite e diamante . Uma vez considerados exóticos, os fulerenos são atualmente comumente sintetizados e usados ​​em pesquisas; eles incluem buckyballs ,  nanotubos de carbono , nanobuds de carbono  e nanofibras . Vários outros alótropos exóticos também foram descobertos, como lonsdaleita ,carbono vítreo ,nanofólio de carbono  e carbono acetilênico linear (carbyne).

O grafeno é uma folha bidimensional de carbono com os átomos dispostos em uma rede hexagonal. A partir de 2009, o grafeno parece ser o material mais forte já testado.O processo de separá-lo da grafite exigirá algum desenvolvimento tecnológico adicional antes que seja econômico para os processos industriais.  Se bem sucedido, o grafeno poderia ser usado na construção de um elevador espacial . Ele também pode ser usado para armazenar com segurança hidrogênio para uso em motores a base de hidrogênio em carros.

A forma amorfa é uma variedade de átomos de carbono em um estado vítreo irregular, não cristalino, não mantido em uma macroestrutura cristalina. Está presente como um pó, e é o principal constituinte de substâncias como o carvão vegetal , negro-de- fumo ( fuligem ) e carvão ativado . Em pressões normais, o carbono assume a forma de grafite, na qual cada átomo é ligado trigonally a três outros em um plano composto de anéis hexagonais fundidos , assim como aqueles em hidrocarbonetos aromáticos .  A rede resultante é bidimensional, e as folhas planas resultantes são empilhadas e soltas por forças fracas de van der Waals.. Isso dá à grafite sua suavidade e suas propriedades de clivagem (as folhas deslizam facilmente umas sobre as outras). Por causa da deslocalização de um dos elétrons externos de cada átomo para formar uma nuvem-π , o grafite conduz a eletricidade , mas apenas no plano de cada folha ligada de forma covalente . Isso resulta em uma menor condutividade elétrica em massa para carbono do que para a maioria dos metais . A deslocalização também é responsável pela estabilidade energética da grafite em relação ao diamante à temperatura ambiente.

Em pressões muito altas, o carbono forma o alótropo mais compacto, o diamante , tendo quase o dobro da densidade do grafite. Aqui, cada átomo é ligado tetraedralmente a outros quatro, formando uma rede tridimensional de anéis de seis membros de átomos. O diamante tem a mesma estrutura cúbica que o silício e o germânio e , devido à força das ligações carbono-carbono , é a substância natural mais dura, medida pela resistência ao risco . Ao contrário da crença popular de que "os diamantes são para sempre" , eles são termodinamicamente instáveis ​​(Δ f G ° (diamante, 298 K) = 2,9 kJ / mol ) em condições normais (298 K, 10 5  Pa) e transformar em grafite .  Devido a uma alta barreira de energia de ativação, a transição para grafite é tão lenta na temperatura normal que é imperceptível. O canto inferior esquerdo do diagrama de fases do carbono não foi examinado experimentalmente. No entanto, um estudo computacional recente empregando métodos da teoria do funcional de densidade concluiu que, como T → 0 K e p → 0 Pa , o diamante se torna mais estável que a grafite em aproximadamente 1,1 kJ / mol.  Sob algumas condições, o carbono cristaliza como lonsdaleite , um rede cristalina hexagonal com todos os átomos covalentemente ligados e propriedades semelhantes às do diamante.

Os fulerenos são uma formação cristalina sintética com uma estrutura semelhante a grafite, mas no lugar apenas de células hexagonais planas , algumas das células das quais os fulerenos são formados podem ser pentágonos, hexágonos não planares, ou mesmo heptágonos de átomos de carbono. As folhas são assim deformadas em esferas, elipses ou cilindros. As propriedades dos fulerenos (divididas em fulerenos, buckytubes e nanobuds) ainda não foram totalmente analisadas e representam uma área intensa de pesquisa em nanomateriais . Os nomes fullerene e buckyball são dados após Richard Buckminster Fuller , divulgador de cúpulas geodésicas, que se assemelham à estrutura dos fulerenos. Os fulerenos são moléculas razoavelmente grandes formadas completamente de trigonais ligados por carbono, formando esferóides (o mais conhecido e mais simples é o C 60 buckminsterfullerene em forma de bola de futebol ).  Os nanotubos de carbono (buckytubes) são estruturalmente semelhantes aos buckyballs, exceto pelo fato de que cada átomo é ligado trigonalmente em uma folha curva que forma um cilindro oco .  Nanobuds foram relatados pela primeira vez em 2007 e são materiais híbridos de buckytube / buckyball (buckyballs são covalentemente ligados à parede externa de um nanotubo) que combinam as propriedades de ambos em uma única estrutura.

Dos outros alótropos descobertos, o nanofoam de carbono é um alótropo ferromagnético descoberto em 1997. Consiste em uma montagem de cluster de baixa densidade de átomos de carbono amarrados em uma teia tridimensional solta, na qual os átomos são ligados trigonalmente em seis e anéis de sete membros. Está entre os sólidos mais leve conhecidos, com uma densidade de cerca de 2 kg / m 3 .  Da mesma forma, o carbono vítreo contém uma alta proporção de porosidade fechada ,mas ao contrário da grafita normal, as camadas grafíticas não são empilhadas como páginas em um livro, mas possuem um arranjo mais aleatório. Carbono acetilênico linear tem a estrutura química - (C ::: C) n -. O carbono nesta modificação é linear com hibridização orbital sp , e é um polímero com ligações alternadas simples e triplas. Este carbyne é de grande interesse para a nanotecnologia, já que seu módulo de Young é 40 vezes o do material mais duro conhecido - o diamante.

Em 2015, uma equipe da Universidade Estadual da Carolina do Norte anunciou o desenvolvimento de outro alótropo denominado carbono Q , criado por um pulso de laser de alta energia e baixa duração em pó de carbono amorfo. O carbono Q é relatado para exibir ferromagetismo, fluorescência e uma dureza superior aos diamantes

Ocorrência

O carbono é o quarto elemento químico mais abundante no universo observável em massa, após hidrogênio, hélio e oxigênio. O carbono é abundante no Sol , estrelas , cometas e nas atmosferas da maioria dos planetas . Alguns meteoritos contêm diamantes microscópicos que foram formados quando o sistema solar ainda era um disco protoplanetário . Os diamantes microscópicos também podem ser formados pela pressão intensa e alta temperatura nos locais dos impactos de meteoritos.

Em 2014, a NASA anunciou um banco de dados altamente atualizado para rastrear hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) no universo . Mais de 20% do carbono no universo pode estar associado a HPAs, compostos complexos de carbono e hidrogênio sem oxigênio.  Esses compostos figuram na hipótese do mundo da HAP, onde se supõe que tenham um papel na abiogênese e na formação da vida . Os PAHs parecem ter sido formados "um par de bilhões de anos" depois do Big Bang , estão espalhados por todo o universo e estão associados a novas estrelas e exoplanetas .

Estimou-se que a terra sólida como um todo contém 730 ppm de carbono, com 2000 ppm no núcleo e 120 ppm no manto e crosta combinados.  Como a massa da terra é de 5.972 × 10 24  kg , isso implicaria 4360 milhões de gigatoneladas de carbono. Isso é muito mais do que a quantidade de carbono nos oceanos ou atmosfera

Em combinação com o oxigênio no dióxido de carbono , o carbono é encontrado na atmosfera da Terra (aproximadamente 810 gigatoneladas de carbono) e dissolvido em todos os corpos de água (aproximadamente 36.000 gigatoneladas de carbono). Cerca de 1.900 gigatoneladas de carbono estão presentes na biosfera . Hidrocarbonetos (como carvão , petróleo e gás natural ) contêm carbono também. As "reservas" de carvão (não "recursos") somam cerca de 900 gigatoneladas, com talvez 18.000 Gt de recursos.  As reservas de petróleo estão em torno de 150 gigatoneladas. Fontes comprovadas de gás natural são de cerca de 175 × 1012  metros cúbicos (contendo cerca de 105 gigatoneladas de carbono), mas outros estudos estimam 900 × 10 12  metros cúbicos de depósitos "convencionais", tal como gás de xisto , o que representa cerca de 540 gigatoneladas de carbono.

O carbono também é encontrado em hidratos de metano em regiões polares e sob os mares. Várias estimativas colocam esse carbono entre 500, 2.500 Gt ,  ou 3.000 Gt.

No passado, as quantidades de hidrocarbonetos eram maiores. De acordo com uma fonte, no período de 1751 a 2008, cerca de 347 gigatoneladas de carbono foram liberadas como dióxido de carbono para a atmosfera devido à queima de combustíveis fósseis.  Outra fonte coloca a quantidade adicionada à atmosfera para o período desde 1750 a 879 Gt, e o total indo para a atmosfera, mar e terra (como turfeiras ) em quase 2.000 Gt.

O carbono é um constituinte (cerca de 12% em massa) das massas muito grandes de rochas carbonáticas ( calcário , dolomita , mármore e assim por diante). O carvão é muito rico em carbono ( antracito contém 92-98%)  e é a maior fonte comercial de carbono mineral, respondendo por 4.000 gigatoneladas ou 80% do combustível fóssil .

Quanto aos alótropos de carbono individuais, a grafita é encontrada em grandes quantidades nos Estados Unidos (principalmente em Nova York e no Texas ), na Rússia , no México , na Groenlândia e na Índia . Os diamantes naturais ocorrem no kimberlito rochoso , encontrado em antigos "pescoços" vulcânicos , ou "canos". A maioria dos depósitos de diamantes está na África , principalmente na África do Sul , Namíbia , Botsuana , República do Congo e Serra Leoa . Depósitos de diamante também foram encontrados em ArkansasNo Canadá , no Ártico russo , no Brasil e no norte e oeste da Austrália . Os diamantes agora também estão sendo recuperados do fundo do oceano ao largo do Cabo da Boa Esperança . Os diamantes são encontrados naturalmente, mas cerca de 30% de todos os diamantes industriais usados ​​nos EUA agora são fabricados.

O carbono-14 é formado nas camadas superiores da troposfera e a estratosfera em altitudes de 9 a 15 km por uma reação que é precipitada pelos raios cósmicos .  Nêutrons térmicos são produzidos que colidem com os núcleos de nitrogênio-14, formando carbono-14 e um próton. Como tal, 1,5% × 10 −10 de dióxido de carbono atmosférico contém carbono-14.

Os asteróides ricos em carbono são relativamente preponderantes nas partes externas do cinturão de asteróides em nosso sistema solar . Esses asteróides ainda não foram amostrados diretamente pelos cientistas. Os asteróides podem ser usados ​​em mineração de carbono hipotética baseada no espaço , o que pode ser possível no futuro, mas é tecnologicamente impossível no momento.

Isótopos

Os isótopos de carbono são núcleos atômicos que contêm seis prótons mais um número de nêutrons (variando de 2 a 16). O carbono tem dois isótopos naturais e estáveis . O isótopo de carbono-12 ( 12 C) constitui 98,93% do carbono na Terra, enquanto de carbono-13 ( 13 C) forma os restantes 1.07%. A concentração de 12 C é aumentada ainda mais em materiais biológicos porque as reações bioquímicas discriminam 13 C.  Em 1961, a União Internacional de Química Pura e Aplicada.(IUPAC) adotou o isótopo carbono-12 como base para pesos atômicos .  A identificação de carbono em experimentos de ressonância magnética nuclear (RMN) é feita com o isótopo 13 C.

Carbono-14 ( 14 C) é uma ocorrência natural radioisótopo , criado na atmosfera superior (inferior estratosfera e superior troposfera ) por interacção de azoto com raios cósmicos .  Encontra-se em quantidades mínimas na Terra de 1 parte por trilhão (0,0000000001%) ou mais, principalmente confinado à atmosfera e a depósitos superficiais, particularmente de turfa e outros materiais orgânicos.  Este isótopo decai por 0,158 MeV β - emissão . Devido à sua meia-vida relativamente curtade 5730 anos, 14 C é praticamente ausente em rochas antigas. A quantidade de 14 C na atmosfera e nos organismos vivos é quase constante, mas diminui previsivelmente em seus corpos após a morte. Este princípio é usado na datação por radiocarbono , inventada em 1949, que tem sido usada extensivamente para determinar a idade dos materiais carbonáceos com idades de até 40.000 anos.

Existem 15 isótopos de carbono conhecidos e os mais curtos destes são 8 C, que decai através da emissão de prótons e decaimento alfa e tem uma meia-vida de 1,98739x10 −21 s.  O exótico 19 C exibe um halo nuclear , o que significa que seu raio é consideravelmente maior do que seria esperado se o núcleo fosse uma esfera de densidade constante

Formação em estrelas

A formação do núcleo atômico do carbono ocorre dentro de uma estrela gigante ou supergigante através do processo triplo-alfa . Isso requer uma colisão quase simultânea de três partículas alfa ( núcleos de hélio ), pois os produtos de outras reações de fusão nuclear de hélio com hidrogênio ou outro núcleo de hélio produzem respectivamente lítio-5 e berílio-8 , ambos altamente instáveis ​​e quase instantaneamente de volta em núcleos menores.O processo triplo-alfa acontece em condições de temperaturas acima de 100 megakelvin e concentração de hélio que a rápida expansão e resfriamento do universo primitivo proibia e, portanto, nenhum carbono significativo foi criado durante o Big Bang .

De acordo com a atual teoria da cosmologia física, o carbono é formado no interior das estrelas no ramo horizontal .  Quando estrelas massivas morrem como supernovas, o carbono é espalhado no espaço como poeira. Essa poeira se torna material componente para a formação dos sistemas estelares de próxima geração com planetas agregados.  O Sistema Solar é um desses sistemas estelares com uma abundância de carbono, permitindo a existência da vida como a conhecemos.

O ciclo CNO é um mecanismo adicional de fusão de hidrogênio que alimenta as estrelas, onde o carbono opera como catalisador .

Transições rotacionais de várias formas isotópicas de monóxido de carbono (por exemplo, 12 CO, 13 CO e 18 CO) são detectáveis ​​na faixa de comprimento de onda submilimétrica e são usadas no estudo de estrelas recém-formadas em nuvens moleculares .

Ciclo de carbono

Sob condições terrestres, a conversão de um elemento para outro é muito rara. Portanto, a quantidade de carbono na Terra é efetivamente constante. Assim, processos que usam carbono devem obtê-lo de algum lugar e descartá-lo em outro lugar. Os caminhos do carbono no meio ambiente formam o ciclo do carbono . Por exemplo, as plantas fotossintéticas extraem dióxido de carbono da atmosfera (ou água do mar) e o transformam em biomassa, como no ciclo de Calvin , um processo de fixação de carbono.. Parte dessa biomassa é consumida pelos animais, enquanto um pouco de carbono é exalado pelos animais como dióxido de carbono. O ciclo do carbono é consideravelmente mais complicado do que este ciclo curto; por exemplo, um pouco de dióxido de carbono é dissolvido nos oceanos; se as bactérias não consomem, a matéria morta das plantas ou dos animais pode se transformar em petróleo ou carvão , o que libera carbono quando queimado.

Compostos

Compostos orgânicos

O carbono pode formar cadeias muito longas de ligações carbono-carbono interconectadas , uma propriedade que é chamada catenação . As ligações carbono-carbono são fortes e estáveis. Através da catenação, o carbono forma um número incontável de compostos. Uma contagem de compostos únicos mostra que mais contêm carbono do que não. Uma afirmação semelhante pode ser feita para o hidrogênio, porque a maioria dos compostos orgânicos também contém hidrogênio

A forma mais simples de uma molécula orgânica é o hidrocarboneto - uma grande família de moléculas orgânicas compostas de átomos de hidrogênio ligados a uma cadeia de átomos de carbono. Um esqueleto de hidrocarboneto pode ser substituído por outros átomos, conhecidos como heteroátomos . Os heteroátomos comuns que aparecem em compostos orgânicos incluem oxigênio, nitrogênio, enxofre, fósforo e os halogênios não radioativos, assim como os metais lítio e magnésio. Compostos orgânicos contendo ligações ao metal são conhecidos como compostos organometálicos ( veja abaixo ). Certos agrupamentos de átomos, muitas vezes incluindo heteroátomos, ocorrem em grande número de compostos orgânicos. Essas coleções, conhecidas como grupos funcionais, conferir padrões comuns de reatividade e permitir o estudo sistemático e a categorização de compostos orgânicos. Comprimento da cadeia, forma e grupos funcionais afetam as propriedades das moléculas orgânicas.

Na maioria dos compostos estáveis ​​de carbono (e quase todos os compostos orgânicos estáveis ), o carbono obedece à regra do octeto e é tetravalente , significando que um átomo de carbono forma um total de quatro ligações covalentes (que podem incluir ligações duplas e triplas). As exceções incluem um pequeno número de carbocatiões estabilizados (três ligações, carga positiva), radicais (três ligações, neutro), carbaniões (três ligações, carga negativa) e carbenos (dois títulos, neutros), embora essas espécies sejam muito mais prováveis ​​de serem encontrados como intermediários reativos e instáveis.

O carbono ocorre em toda a vida orgânica conhecida e é a base da química orgânica . Quando unido ao hidrogênio , forma vários hidrocarbonetos que são importantes para a indústria como refrigerantes , lubrificantes , solventes , como matéria-prima química para a fabricação de plásticos e petroquímicos e como combustíveis fósseis .

Quando combinado com oxigênio e hidrogênio, o carbono pode formar muitos grupos de importantes compostos biológicos, incluindo açúcares , lignanas , quitinas , álcoois , gorduras e ésteres aromáticos , carotenóides e terpenos . Com o nitrogênio , forma alcalóides e, com a adição de enxofre, também forma antibióticos , aminoácidos e produtos de borracha . Com a adição de fósforo a esses outros elementos, forma DNA e RNA , os portadores de códigos químicos da vida, eadenosina trifosfato (ATP), a mais importante molécula de transferência de energia em todas as células vivas.

Compostos inorgânicos

Comumente compostos contendo carbono que estão associados a minerais ou que não contêm ligações a outros átomos de carbono, halogênios ou hidrogênio, são tratados separadamente dos compostos orgânicos clássicos ; a definição não é rígida e a classificação de alguns compostos pode variar de autor para autor (ver artigos de referência acima). Entre estes estão os óxidos simples de carbono. O óxido mais proeminente é o dióxido de carbono (CO 2 ). Este já foi o principal constituinte da paleoatmosfera , mas é um componente menor da atmosfera da Terra hoje. Dissolvido em água , forma ácido carbônico ( H
2 CO
3 ), mas como a maioria dos compostos com múltiplos oxigênios de ligação simples em um único carbono é instável. Por meio desse intermediário, porém, osíons decarbonato estabilizados por ressonânciasão produzidos. Alguns minerais importantes são os carbonatos, principalmente acalcita. Dissulfeto de carbono(CS
2 ) é semelhante. No entanto, devido às suas propriedades físicas e sua associação com a síntese orgânica, o dissulfeto de carbono é às vezes classificado como umsolventeorgânico.

O outro óxido comum é o monóxido de carbono (CO). É formado por combustão incompleta e é um gás incolor e inodoro. Cada molécula contém uma ligação tripla e é razoavelmente polar , resultando em uma tendência a se ligar permanentemente às moléculas de hemoglobina, deslocando o oxigênio, que tem uma menor afinidade de ligação.  O cianeto (CN - ), tem uma estrutura semelhante, mas comporta-se como um halogeneto de iões ( pseudo ). Por exemplo, pode formar a molécula de cianogênio nitretado ((CN) 2 ), semelhante a haletos diatômicos. Da mesma forma, o análogo mais pesado de cianeto, cyaphide (CP -), também é considerado inorgânico, embora a maioria dos derivados simples seja altamente instável. Outros óxidos incomuns são o subóxido de carbono ( C
3 O
2 ),  omonóxido de dicarbonatoinstável(C2O),  trióxido de carbono(CO3), ciclopentanopentona(C5O5),  ciclohexanohexona(C6O6), eanidrido melico(C12O9). Contudo, o anidrido melítico é o anidrido de acilo triplo do ácido melítico; Além disso, contém um anel de benzeno. Assim, muitos químicos consideram que é orgânico.

Com metais reativos , como o tungstênio , o carbono forma carbonetos (C 4− ) ou acetilidas ( C 2−
2 ) para formar ligas com altos pontos de fusão. Esses ânions também estão associados ao metano e ao acetileno , ambos ácidos muito fracos . Com uma eletronegatividade de 2,5,  o carbono prefere formar ligações covalentes . Alguns carbonetos são treliças covalentes, como o carborundum (SiC), que se assemelha ao diamante . No entanto, mesmo os carbonetos mais polares e salgados não são compostos completamente iônicos.

Compostos organometálicos

Os compostos organometálicos, por definição, contêm pelo menos uma ligação covalente de carbono-metal. Existe uma vasta gama desses compostos; classes principais incluem compostos simples alquil-metal (por exemplo, tetraetilchumbo ), r | 2 alceno compostos (por exemplo, sal de Zeise ), e η três compostos -alil (por exemplo, alil-paládio cloreto de dímero ); metalocenos contendo ligandos ciclopentadienilo (por exemplo, ferroceno ); e complexos de carbeno de metal de transio . Existem muitos carbonilos metálicos e cianetos metálicos (por exemplo, tetracarbonilniquel e ferricianeto de potássio); alguns trabalhadores consideram que os complexos de carbonila e cianeto de metal, sem outros ligantes de carbono, são puramente inorgânicos e não organometálicos. No entanto, a maioria dos químicos organometálicos considera os complexos metálicos com qualquer ligante de carbono, e até mesmo o 'carbono inorgânico' (por exemplo, carbonilos, cianetos e certos tipos de carbonetos e acetilídeos) tem natureza organometálica. Complexos metálicos contendo ligandos orgânicos sem uma ligação covalente de carbono-metal (por exemplo, carboxilatos metálicos) são denominados compostos orgânicos inorgânicos .

Enquanto se entende que o carbono prefere fortemente a formação de quatro ligações covalentes, também são conhecidos outros esquemas de ligação exóticos. Um composto interessante contendo um átomo de carbono hexacoordinado octaédrico foi relatado. O catião do composto é [(Ph 3 Pau) 6 C] 2+ . Este fenómeno foi atribuído à aurophilicidade dos ligandos de ouro, que proporcionam uma estabilização adicional de uma espécie que, de outro modo, é lábil.  Na natureza, o cofator de ferro-molibdênio ( FeMoco ) responsável pela fixação de nitrogênio microbianotambém possui um centro de carbono octaédrico (formalmente um carbeto, C (-IV)) ligado a seis átomos de ferro. Em 2016, foi confirmado que, de acordo com as previsões teóricas anteriores, hexametilbenzeno dicátion contém um átomo de carbono com seis ligações, com a formulação [MeC (η 5 -C 5 Me 5 )] 2+ , tornando-se um "orgânico de metaloceno " . Assim, um MeC 3+ fragmento é ligado a um η 5 -C 5 Me 5 - fragmento através de todos os cinco dos átomos de carbono do anel.

É importante notar que, nos casos acima, cada uma das ligações ao carbono contém menos de dois pares de elétrons formais, tornando-os hipercoordenados, mas não hipervalentes. Mesmo em casos de alegadas 10-C-5 espécies (isto é, um carbono com cinco ligantes e uma contagem de elétrons formais de dez), conforme relatado por Akiba e colaboradores,  cálculos de estrutura eletrônica concluem que o número total de os elétrons ao redor do carbono ainda são menores que oito, como no caso de outros compostos descritos pela ligação de três centros .

História e etimologia

O nome inglês carbono vem do latim carbo para carvão e carvão,  de onde vem também o charbon francês , que significa carvão. Em alemão , holandês e dinamarquês , os nomes para o carbono são Kohlenstoff , koolstof e kulstof , respectivamente, todos significando literalmente a substância do carvão .

Carbono foi descoberto na pré-história e era conhecido nas formas de fuligem e carvão para as primeiras civilizações humanas . Os diamantes eram conhecidos provavelmente em 2500 aC na China, enquanto o carbono na forma de carvão era feito na época romana pela mesma química que é hoje, aquecendo a madeira em uma pirâmide coberta com argila para excluir o ar.

Em 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demonstrou que o ferro foi transformado em aço através da absorção de alguma substância, hoje conhecida como carbono.  Em 1772, Antoine Lavoisier mostrou que os diamantes são uma forma de carbono; quando ele queimou amostras de carvão e diamante e descobriu que nenhum deles produzia água e que ambos liberavam a mesma quantidade de dióxido de carbono por grama . Em 1779, Carl Wilhelm Scheele mostrou que grafite, que foi pensado como uma forma de chumbo, em vez disso, era idêntico ao carvão, mas com uma pequena mistura de ferro, e que dava "ácido aéreo" (seu nome para o dióxido de carbono) quando oxidado com ácido nítrico.  Em 1786, os cientistas franceses Claude Louis Berthollet , Gaspard Monge e CA Vandermonde confirmaram que a grafite era principalmente carbono, oxidando-a em oxigênio da mesma forma que Lavoisier havia feito com o diamante. Algum ferro novamente foi deixado, o que os cientistas franceses acharam necessário para a estrutura da grafite. Em sua publicação, eles propuseram o nome carbone (Latin carbonum ) para o elemento grafite, que foi emitido como um gás na queima de grafite. Antoine Lavoisier então listou o carbono comoelemento em seu livro de 1789.

Um novo alótropo de carbono, o fulereno , que foi descoberto em 1985 , inclui formas nanoestruturadas , como fulerenos e nanotubos .  Seus descobridores - Robert Curl , Harold Kroto e Richard Smalley  - receberam o Prêmio Nobel de Química em 1996.  O interesse renovado em novas formas levou à descoberta de outros alótropos exóticos, incluindo o carbono vítreo , e a realização que " carbono amorfo " não é estritamente amorfo .

Produção
Grafite

Depósitos naturais comercialmente viáveis ​​de grafite ocorrem em muitas partes do mundo, mas as fontes mais importantes economicamente são na China , Índia , Brasil e Coréia do Norte . Os depósitos de grafite são de origem metamórfica , encontrados em associação com quartzo , mica e feldspato em xistos, gnaisses e arenitos metamórficos e calcário como lentes ou veios , por vezes com um metro ou mais de espessura. Depósitos de grafite em Borrowdale , Cumberland ,A Inglaterra foi em primeiro lugar de tamanho suficiente e pureza que, até o século 19, os lápis foram feitos simplesmente por serrar blocos de grafite natural em tiras antes de encapsular as tiras em madeira. Hoje, depósitos menores de grafite são obtidos esmagando a rocha mãe e flutuando a grafite mais leve na água.

Existem três tipos de grafite natural - floco amorfo, floco ou cristalino, e veia ou caroço. Grafite amorfa é a mais baixa qualidade e mais abundante. Ao contrário da ciência, na indústria "amorfa" refere-se a tamanho de cristal muito pequeno, em vez de completa falta de estrutura cristalina. Amorfo é usado para produtos de grafite de baixo valor e é o grafite de menor preço. Grandes depósitos de grafite amorfa são encontrados na China, Europa, México e Estados Unidos. O grafite em flocos é menos comum e de maior qualidade que amorfo; ocorre como placas separadas que cristalizaram na rocha metamórfica. Grafite Flake pode ser quatro vezes o preço do amorfo. Flocos de boa qualidade podem ser processados ​​em grafite expansível para muitos usos, como retardadores de chama. Os depósitos mais importantes são encontrados na Áustria, Brasil, Canadá, China, Alemanha e Madagascar. A grafite de veios ou granulados é o tipo de grafite natural mais raro, mais valioso e de maior qualidade. Ela ocorre em veias ao longo de contatos intrusivos em caroços sólidos e é comercializada apenas no Sri Lanka.

Segundo o USGS , a produção mundial de grafite natural foi de 1,1 milhão de toneladas em 2010, para as quais a China contribuiu com 800.000 t, a Índia com 130.000 t, o Brasil com 76.000 t, a Coreia do Norte com 30.000 t eo Canadá com 25.000 t. Nenhuma grafita natural foi reportada em mineração nos Estados Unidos, mas 118.000 t de grafite sintético com um valor estimado de US $ 998 milhões foram produzidos em 2009.

Diamante

A cadeia de suprimento de diamantes é controlada por um número limitado de empresas poderosas e também é altamente concentrada em um pequeno número de locais em todo o mundo.

Apenas uma fração muito pequena do minério de diamante consiste em diamantes reais. O minério é triturado, durante o qual deve-se tomar cuidado para evitar que diamantes maiores sejam destruídos neste processo e, subsequentemente, as partículas são classificadas por densidade. Hoje, os diamantes estão localizados na fração de densidade rica em diamantes com a ajuda de fluorescência de raios X , após o qual as etapas finais de classificação são feitas à mão. Antes do uso de raios X se tornar comum, a separação era feita com correias de graxa; os diamantes têm uma tendência mais forte de se prender à graxa do que os outros minerais do minério.

Historicamente, os diamantes eram conhecidos apenas em depósitos aluviais no sul da Índia . A Índia liderou o mundo na produção de diamantes desde a sua descoberta em aproximadamente o século IX aC  até meados do século XVIII, mas o potencial comercial dessas fontes havia se esgotado no final do século XVIII e Naquela época, a Índia foi eclipsada pelo Brasil, onde os primeiros diamantes não-indianos foram encontrados em 1725.

A produção de depósitos primários de diamantes (kimberlitos e lamproites) só começou na década de 1870, após a descoberta dos campos de diamantes na África do Sul. A produção aumentou ao longo do tempo e agora um total acumulado de 4,5 bilhões de quilates foi extraído desde essa data. Cerca de 20% dessa quantidade foi extraída apenas nos últimos 5 anos, e durante os últimos dez anos 9 novas minas iniciaram a produção, enquanto outras 4 estão esperando para serem abertas em breve. A maioria dessas minas está localizada no Canadá, Zimbábue, Angola e uma na Rússia.

Nos Estados Unidos, os diamantes foram encontrados em Arkansas , Colorado e Montana .   Em 2004, uma descoberta surpreendente de um diamante microscópico nos Estados Unidos levou à amostragem em massa de tubos de kimberlito em janeiro de 2008, em uma parte remota de Montana .

Hoje, a maioria dos depósitos de diamantes comercialmente viáveis ​​estão na Rússia , Botswana , Austrália e na República Democrática do Congo .  Em 2005, a Rússia produziu quase um quinto da produção global de diamantes, informa o British Geological Survey . A Austrália tem o tubo diamantífero mais rico, com produção atingindo níveis máximos de 42 toneladas métricas (41 toneladas longas; 46 toneladas curtas) por ano na década de 1990.  Há também depósitos comerciais sendo minados ativamente nos Territórios do Noroeste do Canadá , na Sibéria (principalmente no território de Yakutia ; por exemplo,Mir pipe e Udachnaya pipe ), Brasil, e no norte e oeste da Austrália .

Aplicações

O carbono é essencial para todos os sistemas vivos conhecidos e, sem ele, a vida, como sabemos, não poderia existir (ver bioquímica alternativa ). O principal uso econômico do carbono, com exceção dos alimentos e da madeira, é a forma de hidrocarbonetos, mais notavelmente o gás metano combustível fóssil e o petróleo bruto (petróleo). O petróleo bruto é destilado em refinarias pela indústria petroquímica para produzir gasolina , querosene e outros produtos. A celulose é um polímero natural contendo carbono, produzido por plantas sob a forma de madeira , algodão , linhoe cânhamo . A celulose é usada principalmente para manter a estrutura nas plantas. Polímeros de carbono comercialmente valiosos de origem animal incluem lã , cashmere e seda . Os plásticos são feitos de polímeros sintéticos de carbono, muitas vezes com átomos de oxigênio e nitrogênio incluídos em intervalos regulares na cadeia principal do polímero. As matérias-primas para muitas dessas substâncias sintéticas vêm do petróleo bruto.

Os usos do carbono e seus compostos são extremamente variados. Pode formar ligas com ferro , das quais a mais comum é o aço carbono . Grafite é combinada com argilas para formar o 'chumbo' usado em lápis usados ​​para escrever e desenhar . É também utilizado como lubrificante e pigmento , como material de moldagem na fabricação de vidro , em eletrodos para baterias secas e em galvanoplastia e eletroformação , em escovas paramotores elétricos e como moderadores de nêutrons em reatores nucleares .

Carvão é utilizado como um material de desenho em obras de arte , de churrasco grelhar , de fundição do ferro , e em muitas outras aplicações. Madeira, carvão e petróleo são usados ​​como combustível para produção de energia e aquecimento . O diamante de qualidade Gem é usado em joalheria e os diamantes industriais são usados ​​em ferramentas de perfuração, corte e polimento para usinagem de metais e pedras. Os plásticos são feitos de hidrocarbonetos fósseis e a fibra de carbono , feita por pirólise de fibras sintéticas de poliéster , é usada para reforçar plásticos para formar materiais compósitos avançados e leves .

A fibra de carbono é feita por pirólise de filamentos extrudados e estirados de poliacrilonitrila (PAN) e outras substâncias orgânicas. A estrutura cristalográfica e as propriedades mecânicas da fibra dependem do tipo de material de partida e do processamento subsequente. Fibras de carbono feitas de PAN têm estrutura semelhante a filamentos estreitos de grafite, mas o processamento térmico pode reordenar a estrutura em uma folha contínua laminada. O resultado são fibras com maior resistência à tração específica do que o aço.

O negro de fumo é usado como o pigmento preto na tinta de impressão , a tinta a óleo do artista e as cores da água, o papel de carbono , os acabamentos automotivos, a nanquim e o toner de impressora a laser . O negro de fumo também é usado como enchimento em produtos de borracha , como pneus e compostos de plástico . O carvão ativado é usado como absorvente e adsorvente em materiais de filtro em aplicações tão diversas como máscaras de gás , purificação de água ecozinha exaustores , e na medicina para absorver toxinas, venenos, ou gases do sistema digestivo . O carbono é usado na redução química em altas temperaturas. O coque é usado para reduzir o minério de ferro em ferro (fundição). O endurecimento do aço é conseguido aquecendo os componentes de aço acabados em pó de carbono. Carbides de silício , tungstênio , boro e titânio , estão entre os materiais mais difíceis conhecidos e são usados ​​como abrasivosem ferramentas de corte e esmerilhamento. Compostos de carbono compõem a maioria dos materiais usados ​​em roupas, como têxteis naturais e sintéticos e couro , e quase todas as superfícies interiores no ambiente construído, além de vidro, pedra e metal.

Diamantes

A indústria de diamantes divide-se em duas categorias: uma que trata dos diamantes de gemas e a outra, com diamantes de nível industrial. Enquanto existe um grande comércio de ambos os tipos de diamantes, os dois mercados atuam de maneiras dramaticamente diferentes.

Ao contrário de metais preciosos , como ouro ou platina , diamantes gema não comerciais como uma mercadoria : há um mark-up substancial na venda de diamantes, e não há um mercado muito ativo para revenda de diamantes.

Os diamantes industriais são valorizados principalmente por sua dureza e condutividade térmica, sendo as qualidades gemológicas de claridade e cor irrelevantes. Cerca de 80% dos diamantes extraídos (equivalentes a cerca de 100 milhões de quilates ou 20 toneladas anuais) são inadequados para uso, pois as gemas são relegadas para uso industrial (conhecido como bort ) .  diamantes sintéticos , inventados na década de 1950, encontraram aplicações industriais quase imediatas; 3 bilhões de quilates (600  toneladas ) de diamante sintético são produzidos anualmente.

O uso industrial dominante do diamante está no corte, perfuração, moagem e polimento. A maioria dessas aplicações não requer grandes diamantes; na verdade, a maioria dos diamantes de qualidade de gema, exceto pelo pequeno tamanho, pode ser usada industrialmente. Os diamantes são embutidos em pontas de brocas ou lâminas de serra, ou triturados em pó para uso em aplicações de retificação e polimento.  Aplicações especializadas incluem o uso em laboratórios como contenção para experimentos de alta pressão (veja célula de bigorna de diamante ), rolamentos de alto desempenho e uso limitado em janelas especializadas . Com os contínuos avanços na produção de diamantes sintéticos, novas aplicações estão se tornando viáveis. Ganhar muito entusiasmo é o possível uso do diamante como um semicondutor adequado para microchips , e devido à sua excepcional propriedade de condutividade térmica, como um dissipador de calor na eletrônica .

Precauções

O carbono puro tem toxicidade extremamente baixa para os seres humanos e pode ser manuseado e até mesmo ingerido com segurança na forma de grafite ou carvão. É resistente a dissolução ou ataque químico, até mesmo no conteúdo ácido do tratado digestivo. Consequentemente, uma vez que entra nos tecidos do corpo, é provável que permaneça lá indefinidamente. O negro de fumo foi provavelmente um dos primeiros pigmentos a serem usados ​​para a tatuagem , e Ötzi, o Homem do Gelo, descobriu ter tatuagens de carbono que sobreviveram durante sua vida e por 5200 anos após sua morte. A inalação de pó de carvão ou fuligem (negro de fumo) em grandes quantidades pode ser perigosa, irritando os tecidos pulmonares e causando a doença pulmonar congestiva , a pneumoconiose do trabalhador de laboratório . O pó de diamante usado como abrasivo pode ser prejudicial se ingerido ou inalado. As micropartículas de carbono são produzidas na fumaça do escapamento do motor a diesel e podem se acumular nos pulmões.  Nesses exemplos, os danos podem resultar de contaminantes (por exemplo, químicos orgânicos, metais pesados) e não do próprio carbono.

O carbono geralmente tem baixa toxicidade para a vida na Terra ; mas as nanopartículas de carbono são mortais para a Drosophila .

O carbono pode queimar vigorosamente e com brilho na presença de ar a altas temperaturas. Grandes acumulações de carvão, que permaneceram inertes por centenas de milhões de anos na ausência de oxigênio, podem entrar em combustão espontânea quando expostas ao ar em aterros de minas de carvão, depósitos de carga de navios e bunkers de carvão  e lixões .

Em aplicações nucleares onde o grafite é usado como um moderador de nêutrons , o acúmulo de energia de Wigner seguido por uma liberação repentina e espontânea pode ocorrer. O recozimento a pelo menos 250 ° C pode liberar a energia com segurança, embora no incêndio da Windscale o procedimento tenha dado errado, causando a combustão de outros materiais do reator.

A grande variedade de compostos de carbono inclui venenos letais como a tetrodotoxina , a lectina ricina de sementes da planta de mamona Ricinus communis , cianeto (CN - ) e monóxido de carbono ; e tais essenciais para a vida como glicose e proteína .

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