📘 CodingMarble Learn

Alótropos do carbono: diamante, grafite, grafeno e fulerenos

Alótropos são formas diferentes do mesmo elemento no mesmo estado físico. O carbono tem vários. No diamante, cada átomo faz 4 ligações covalentes fortes numa rede 3D gigante; por isso ele é muito duro, tem ponto de fusão altíssimo e não conduz eletricidade. No grafite, cada átomo se liga a 3 outros em camadas planas de hexágonos; as camadas deslizam (macio e escorregadio) e sobra 1 elétron por átomo, livre para se mover, então o grafite conduz. O grafeno é uma única camada de grafite: forte, leve e ótimo condutor. Fulerenos, como o C₆₀, são gaiolas ocas; nanotubos são tubos enrolados. Todos queimam no oxigênio e formam dióxido de carbono.

🎬 História passo a passo

  1. Um átomo de carbono. Ele tem 4 elétrons na última camada, por isso faz 4 ligações covalentes.
  2. Diamante. Cada átomo se liga a 4 vizinhos numa rede 3D. É muito duro e não tem elétrons livres.
  3. Grafite. Cada átomo se liga a apenas 3, em camadas planas de hexágonos. As camadas deslizam e os elétrons que sobram levam a corrente.
  4. Grafeno. Só uma camada de grafite, com a espessura de um átomo. Forte, leve e ótimo condutor.
  5. Fulereno C₆₀. Sessenta carbonos numa bola oca feita de hexágonos e pentágonos. Um tubo enrolado é um nanotubo.
  6. Livre para explorar. Escolha uma forma, gire e conte as ligações de um átomo.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

Se todos são carbono, por que são tão diferentes?

As propriedades dependem de como os átomos estão ligados, não só de quais átomos são. Troque de forma na exploração livre e compare os padrões de ligação.

Por que o carbono faz 4 ligações?

Ele tem 4 elétrons na última camada e precisa de mais 4 para ficar estável, então compartilha 4 pares. O passo 1 mostra as 4 ligações.

O grafite é macio, então por que o ponto de fusão é alto?

Fundir rompe as ligações fortes dentro das camadas. Para ser macio, basta as forças fracas entre as camadas cederem. Deslize as camadas no passo 3: os hexágonos continuam inteiros.

De onde vêm os elétrons livres do grafite?

Cada átomo usa 3 dos 4 elétrons da última camada nas ligações. O 4º fica livre para se mover ao longo da camada. O passo 3 mostra esses elétrons como pontos azuis em movimento.

O grafeno é só grafite fino?

O grafeno é exatamente uma camada. Empilhe muitas camadas de grafeno e você tem grafite. Compare os passos 3 e 4.

Por que o C₆₀ é redondo?

Ele tem 12 pentágonos entre os hexágonos. Os pentágonos fazem a folha curvar e fechar numa bola. Gire a bola no passo 5.

O que são alótropos?

Alótropos são formas diferentes do mesmo elemento no mesmo estado físico. Os átomos são os mesmos; só muda o jeito como estão ligados.

O carbono está no Grupo 14 (antigo Grupo 4A). Ele tem 4 elétrons na última camada, então cada átomo pode compartilhar elétrons e fazer até 4 ligações covalentes. Uma ligação covalente é um par de elétrons compartilhado, e é muito forte.

Como o carbono pode se ligar de vários jeitos, existem o diamante, o grafite, o grafeno e os fulerenos. Suas propriedades são muito diferentes, embora todos sejam carbono puro.

Diamante: uma estrutura covalente gigante

No diamante, cada átomo de carbono está ligado a outros 4 átomos de carbono por ligações covalentes fortes. Isso forma uma enorme rede 3D chamada estrutura covalente gigante.

Usos: ferramentas de corte, pontas de broca, cortadores de vidro e joias (ele brilha porque desvia muito a luz).

Grafite: camadas que deslizam

No grafite, cada átomo de carbono se liga a apenas 3 outros. Os átomos formam camadas planas de hexágonos (anéis de seis lados).

Usos: grafite de lápis, eletrodos na eletrólise e em pilhas, e lubrificante seco para máquinas.

Grafeno, fulerenos e nanotubos

Grafeno é uma única camada de grafite, com a espessura de um átomo. É muito forte para o seu peso, quase transparente e um excelente condutor. Usos em desenvolvimento: eletrônicos flexíveis, baterias melhores e materiais mais fortes e leves (compósitos).

Fulerenos são moléculas de carbono em forma de bolas ou tubos ocos. São feitos principalmente de hexágonos, com alguns pentágonos (anéis de cinco lados) ou heptágonos que fazem a superfície curvar. O primeiro descoberto foi o buckminsterfulereno, C₆₀, que parece uma bola de futebol.

Nanotubos de carbono são fulerenos enrolados em cilindros longos e finos. Eles têm uma razão comprimento/largura muito alta, grande resistência à tração e boa condutividade. Usos: reforçar artigos esportivos, eletrônicos e nanotecnologia.

Os fulerenos podem levar moléculas de remédio dentro da gaiola (entrega de medicamentos), servir como lubrificantes e atuar como catalisadores graças à grande área de superfície.

Propriedades químicas do carbono

Todos os alótropos são carbono, por isso reagem do mesmo jeito. Em temperatura ambiente, o carbono é bem pouco reativo.

Queimar um diamante e um pedaço de grafite dá o mesmo gás, CO₂. Isso prova que os dois são feitos só de carbono.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. O diamante e o grafite têm pontos de fusão muito altos, mas só o grafite conduz eletricidade. Explique.

Os dois têm estruturas gigantes mantidas por muitas ligações covalentes fortes, que exigem muita energia para romper; por isso ambos fundem em temperaturas muito altas. No diamante, os 4 elétrons da última camada estão nas ligações, então nenhuma carga pode se mover. No grafite, cada átomo usa só 3 elétrons nas ligações; o 4º fica deslocalizado e se move ao longo das camadas, levando a corrente.

2. Por que o grafite é usado como lubrificante e o diamante não?

As camadas do grafite são unidas apenas por forças fracas, então deslizam com facilidade umas sobre as outras e diminuem o atrito. Os átomos do diamante estão travados em todas as direções por ligações fortes, então nada desliza.

3. Quantas ligações há em uma molécula de C₆₀ se cada átomo se liga a 3 outros?

Cada um dos 60 átomos tem 3 ligações: 60 × 3 = 180 pontas de ligação. Cada ligação une 2 átomos, então foi contada duas vezes. Ligações = 180 ÷ 2 = 90.

Erros comuns

Quiz de prática

1. Quantas ligações covalentes cada átomo de carbono faz no diamante?
2. O grafite conduz eletricidade porque tem:
3. O grafeno é:
4. O buckminsterfulereno tem a fórmula:
5. Queimar diamante no oxigênio produz:

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

Quais são os alótropos do carbono?

Os principais são o diamante, o grafite, o grafeno e os fulerenos (como o C₆₀ e os nanotubos de carbono). O carvão mineral e o carvão vegetal são formas impuras, em geral não cristalinas.

Por que o grafite conduz eletricidade e o diamante não?

No grafite, cada carbono usa só 3 elétrons nas ligações e sobra um elétron deslocalizado que pode se mover. No diamante, os 4 estão nas ligações, então nenhum elétron fica livre.

Qual é a diferença entre grafite e grafeno?

O grafeno é uma única camada de átomos de carbono em hexágonos. O grafite é formado por muitas dessas camadas empilhadas e unidas por forças fracas.

Onde isso é ensinado

England (GCSE, A level)Year 104.2 Bonding, structure, and the properties of matter
England (GCSE, A level)Year 105.2 Bonding, structure, and the properties of matter
China九年级(初三)U6 Carbon and its oxides

Aprenda antes

Aprenda depois

Aulas relacionadas

Todas as aulas de Chemistry