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Carbono − C




Número atômico 6 | Massa atômica 12,0107 | Elétrons [He]2s22p2 |


1) História

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Do latim carbone (carvão). Um elemento de conhecimento pré-histórico e amplamente distribuído na natureza.


2) Disponibilidade

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É encontrado no sol, nas estrelas, nos cometas e na atmosfera da maioria dos planetas. Carbono, na forma de diamantes microscópicos, foi detectado em alguns meteoritos. Na Terra, em forma livre ou em compostos, carbono está presente na atmosfera, em diversos minerais rochosos, no carvão mineral, no petróleo e gás natural, nos seres vivos, etc. Estima-se que representa cerca de 0,032% da crosta terrestre.

Na forma livre, é encontrado em três variedades alotrópicas: amorfo, grafite e diamante. O último é um dos materiais mais duros que se conhece. Grafite existe em duas formas: alfa e beta. Têm idênticas propriedades e diferem apenas na estrutura cristalina. Substância elementar: C (monoatômica).


3) Produção

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O grafite, embora encontrado na natureza, pode ser produzido artificialmente pelo aquecimento do carvão com sílica (> 2500°C). Na prática, é usada uma mistura, aquecida sem contato com o ar, de antracito (um tipo de carvão fóssil), coque (produto resultante da calcinação do carvão mineral, para eliminar substâncias voláteis) e quartzo.

Diamantes também podem ser produzidos artificialmente pelo aquecimento do grafite sob pressões bastante altas (> 12,5 GPa) na presença de um catalisador como a platina.

A figura a seguir dá o diagrama aproximado dos estados físicos do carbono. As linhas tracejadas indicam regiões metaestáveis, onde duas fases podem coexistir.


Fig 2-I

Há várias outras formas de extração ou produção de carbono. Exemplo: o carvão vegetal é carbono obtido a partir da madeira ou resíduos vegetais como casca de coco. O material é aquecido a cerca de 550°C sem a presença de ar (em recipientes metálicos ou de barro), de forma que os compostos orgânicos voláteis são evaporados, restando apenas o carbono e alguns resíduos minerais, que são as cinzas produzidas na queima do carvão vegetal.


4) Propriedades

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Grandeza Condição / Obs Valor Unidade
Calor de fusão 117 kJ/mol
Calor de vaporização 715 kJ/mol
Calor específico 710 J/(kg°C)
Coeficiente de expansão térmica 0,71 10−5 (1/°C)
Condutividade térmica 129 W/(m°C)
Eletronegatividade 2,55 Pauling
Estados de oxidação (principais) (+4) +2 (−4)
Estrutura cristalina Hexagonal
Massa específica Sólido 2267 kg/m3
Ponto de ebulição 4027 °C
Ponto de fusão 3527 °C
Resistividade elétrica ≈1000 10−8 Ω m



5) Compostos e/ou Reações - Alguns Exemplos

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Carbono é um elemento especial em razão da enorme quantidade de compostos que pode produzir. Em combinação com oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e outros elementos, ele forma uma vasta coleção de compostos com átomos de carbono ligados entre si. Existem perto de 10 milhões de compostos de carbono, muitos dos quais essenciais para a vida e processos orgânicos.

Sem o carbono, a vida seria impossível. É o único elemento que tem a capacidade de formar longas cadeias de átomos, que fazem as estruturas básicas dos compostos presentes nas células. Há algum tempo, cogitou-se que o silício poderia substituir o carbono, produzindo compostos similares (vida base silício). Entretanto, foi verificado que não é possível formar compostos estáveis de silício com longas cadeias. Carbono está também presente em muitas das fontes de energia, como carvão, petróleo, gás natural.

• Reação com água não ocorre em condições usuais. Pode ser forçada pela aplicação de vapor d'água sobre carvão aquecido:
$$\ce{C + H2O -> CO + H2}$$ Reação com halogênios (ocorre em altas temperaturas. n F2 significa excesso):
$$\ce{C + n F2 -> CF4 + C2F6 + C5F12}$$ • Reação com oxigênio:
$$\ce{C + O2 -> CO2}$$ Se a quantidade de oxigênio é insuficiente, há formação do monóxido:
$$\ce{2C + O2 -> 2CO}$$

6) Aplicações - Alguns Exemplos

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Há numerosas aplicações. Aqui não se consideram os aspectos bioquímicos que, pelas dimensões, devem ser tratados à parte. Compostos de carbono são extensivamente usados como combustíveis e lubrificantes. Minerais diversos ocorrem sob a forma de carbonatos. Diamantes têm uso estético (joias) e industriais (corte, abrasão). Carbono amorfo é usado como absorvente, em pigmentos, na produção de borracha, etc. O isótopo 14C é empregado na datação de objetos arqueológicos.

Grafite é um razoável condutor de calor e eletricidade com elevado ponto de fusão (≈ 3500 °C). É resistente a choques térmicos e quimicamente quase inerte. Resiste à oxidação, tem baixa absorção de raios-X e pequeno coeficiente de atrito. Algumas aplicações são refratários, cadinhos, lubrificantes sólidos, escovas elétricas, baterias, borrachas, revestimentos condutivos, metais sinterizados, etc

O carvão vegetal, em especial o de casca de coco, pode ser submetido a um processo de ativação, que consiste, entre outros, no tratamento com vapor sob temperaturas acima de 800°C por períodos entre 12 e 24 h. Isso cria uma extensa rede de minúsculos poros no material, que pode apresentar superfícies tão altas quanto 500 a 1500 m2 por grama, tornando-o um absorvente eficaz. É o chamado carvão ativo, de importantes e diversos usos. Exemplos: purificação água, remoção de odores, recuperação de solventes, remoção de resíduos radioativos, aplicações medicinais, etc.


7) Isótopos

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O carbono-12 foi adotado como referência para pesos atômicos. O carbono-14 é usado para a determinação da idade de achados arqueológicos que o contêm.

Símbolo % natural Massa Meia-vida Decaimento
9C 0 9,0310 0,127 s CE + 9B
CE + p + 8Be
CE + 2α + 2H
10C 0 10,0169 19,3 s CE + 10B
11C 0 11,0114 20,3 m CE + 11B
12C 98,93 12,0000 Estável
13C 1,07 13,0034 Estável
14C 0 14,0032 5715 a β + 14N
15C 0 15,0106 2,45 s β + 15N
16C 0 16,0147 0,75 s β + 16N
17C 0 17.0226 0,19 s β + 17N
β + n + 16N

Nota: A coluna % natural indica o teor encontrado no elemento natural. Valor nulo indica produção artificial. Símbolos para tempos de meia-vida: s (segundo), m (minuto), h (hora), d (dia), a (ano). A tabela contém os principais isótopos do elemento. Não são necessariamente todos.


8) Sobre a datação com carbono-14

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Raios cósmicos, ao atingirem camadas altas da atmosfera, arrancam nêutrons de alguns átomos. Um nêutron, ao colidir com um átomo do elemento mais abundante (nitrogênio), forma um átomo de 14C e um de hidrogênio. O primeiro logo se combina com o oxigênio para formar uma molécula de dióxido de carbono. Assim, no CO2 da atmosfera, sempre há uma pequena proporção de 14C.

Plantas absorvem dióxido de carbono e homens e animais também, porque as ingerem direta ou indiretamente. Portanto, seres vivos têm sempre uma pequena proporção do isótopo, idêntica à de equilíbrio na atmosfera e, quando morrem, a absorção cessa.

Desde que 14C é um isótopo radioativo do carbono, depois da morte a quantidade diminui gradativamente devido ao decaimento, uma vez que não há mais absorção pelo metabolismo. A meia-vida do isótopo é relativamente alta conforme pode ser visto na tabela anterior e, portanto, o nível da radiação emitida tem relação com a idade da amostra arqueológica. Essa é uma descrição resumida do método, que valeu um Prêmio Nobel ao seu descobridor, Willard Libby.
Topo | 12/06 | Referências:
WebElements Periodic Table.
Los Alamos National Laboratory. Periodic Table of the Elements.