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.
- Muito duro: para riscá-lo é preciso romper muitas ligações fortes. É a substância natural mais dura.
- Ponto de fusão muito alto (acima de 3500 °C): é preciso muita energia para romper tantas ligações.
- Não conduz eletricidade: os 4 elétrons da última camada estão todos nas ligações, então não há elétrons livres nem íons para se mover.
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).
- As ligações dentro de uma camada são covalentes e fortes, por isso o grafite também tem ponto de fusão muito alto.
- As forças entre as camadas são fracas, então as camadas deslizam umas sobre as outras. O grafite é macio e escorregadio.
- Cada átomo tem 1 elétron que sobra e não está numa ligação. Esses elétrons deslocalizados se movem ao longo das camadas, então o grafite conduz eletricidade e calor.
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.
- Queima com bastante oxigênio: C + O₂ → CO₂ (dióxido de carbono). Até o diamante queima se for muito aquecido no oxigênio!
- Queima com pouco oxigênio: 2C + O₂ → 2CO (monóxido de carbono, um gás venenoso).
- Como agente redutor: o carbono quente tira oxigênio de alguns óxidos metálicos, por exemplo 2CuO + C → 2Cu + CO₂. É assim que se obtém ferro do minério de ferro no alto-forno.
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
- Alótropos = formas de um mesmo elemento com arranjos diferentes dos átomos
- Diamante: 4 ligações por átomo, rede 3D gigante → duro, ponto de fusão alto, não conduz
- Grafite: 3 ligações por átomo, camadas de hexágonos + elétrons deslocalizados → macio, conduz
- Grafeno: uma camada de grafite; fulerenos: gaiolas ocas (C₆₀); nanotubos: cilindros enrolados
- C + O₂ → CO₂ (muito ar); 2C + O₂ → 2CO (pouco ar)
- 2CuO + C → 2Cu + CO₂ (carbono como agente redutor)
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
- Dizer que o grafite conduz por causa de íons. O grafite não tem íons; ele conduz por causa dos elétrons deslocalizados.
- Dizer que as camadas do grafite deslizam porque as ligações covalentes são fracas. As ligações dentro das camadas são fortes; só as forças entre as camadas são fracas.
- Chamar o C₆₀ de estrutura gigante. O fulereno é uma molécula com número fixo de átomos.
- Achar que alótropos são elementos ou compostos diferentes. Todos os alótropos do carbono são carbono puro e queimam formando apenas CO₂.