Carbono. Características, propriedades e aplicação

O carbono é um elemento químico, não metálico. Suas propriedades dependem da variedade em que ocorre. Está em quarto lugar entre os elementos encontrados no universo, atrás do oxigênio, hidrogênio e hélio. Ele está presente em todos os organismos vivos. No corpo humano, depois do oxigênio, é o elemento mais abundante em termos de massa. Essa quantidade, combinada com a variedade de compostos orgânicos, faz do carbono a base da vida.

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1. O que é carvão?

Carbono - C (latim carboneum) é um elemento químico não metálico com número atômico 6. Na tabela periódica dos elementos, está no bloco p, no grupo 14 (IVA). Possui 4 elétrons de valência. Existem 3 isótopos naturais de carbono. 12C e 13C são estáveis, enquanto o isótopo 14C é radioativo. Sua meia-vida é de aproximadamente 5700 anos.

Era conhecido como um dos poucos elementos dos tempos pré-históricos. O carvão fóssil é usado como combustível desde o século IX. Nos tempos antigos, grafite e diamante também eram conhecidos, mas não se percebeu então que eles eram tipos alotrópicos de carbono (mais sobre isso mais adiante no texto).

Em 1773, o físico francês Antoine Lavoisier queimou um diamante em oxigênio e obteve dióxido de carbono. Em 1779, o químico alemão-sueco Carl Scheele afirmou o mesmo para o grafite. O nome polonês foi proposto pela primeira vez pelo químico polonês Filip Neriusz Walter.

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2. Variedades alotrópicas de carvão

O carbono vem nas seguintes variedades alotrópicas:

  • fulereno;
  • Diamante;
  • grafite;
  • grafeno;
  • ciclocarbono.

Também distinguimos nanobolhas e nanotubos, que não são inteiramente alótropos de carbono - são nomes de estruturas supramoleculares. De acordo com relatos não confirmados, também podemos falar sobre a existência de carabinas e correntes lineares.

3. Propriedades químicas do carvão

O carbono é um elemento divalente e tetravalente nos estados de oxidação +2, +4 e -4. Este elemento é quimicamente inativo, não é solúvel em água, bases e ácidos. A uma temperatura de cerca de 20 ° C, ele reage apenas com o flúor.

Quando aquecido, o carbono reage com o enxofre e o oxigênio e, em temperaturas muito altas, ele se combina diretamente com o hidrogênio e muitos átomos para formar os chamados carbonetos.

Os átomos de carbono têm a capacidade de se ligar uns aos outros, graças ao qual há um grande número de compostos de carbono, anel e cadeia, ramificados e retos. Além do carbono, esses compostos incluem nitrogênio, oxigênio, enxofre e halogênios.

Um dos tipos alotrópicos de carbono - diamante é uma substância com baixa atividade, mesmo em altas temperaturas. Ele queima lentamente no ar (acima de 800 ° C), enquanto no oxigênio puro ele queima mais rapidamente. Nem ácidos nem bases funcionam em um diamante.

Outra forma alotrópica de carbono - a grafite é uma substância também com baixa atividade, mas reage mais facilmente do que o diamante. No ar, o grafite queima a uma temperatura de cerca de 700 ° C. Reage com flúor na presença de fluoreto de hidrogênio (HF) em temperaturas abaixo de 100 ° C, sem HF em temperaturas acima de 400 ° C.

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4. Propriedades físicas e aplicação

O carbono é um sólido. Ele se dissolve em ferro fundido ou alguns outros metais fundidos, mas não se dissolve em nenhum solvente conhecido.

O carvão não derrete, mas sublima sob a pressão atmosférica e em temperaturas muito altas acima de 3500 ° C. Como já descrevemos, ocorre em dois alótropos básicos (diamante e grafite), diferindo em sua forma cristalográfica. O carbono amorfo (fuligem) é uma forma cristalina fina de grafite.

4.1. Diamante

Em seu estado puro, o diamante cria estruturas transparentes e incolores. É caracterizado por alta dureza (é o mais duro de todos os minerais), quebra a luz fortemente e é um isolante (não conduz eletricidade).

O diamante tem densidade de 3,51 g / cm³. Na rede espacial de um diamante, todos os átomos de carbono estão rodeados por 4 outros átomos, alguns dos centros de gravidade são definidos pelo tetraedro regular.

Cada ligação química na rede do diamante é uma ligação covalente de igual comprimento. Dependendo da quantidade e do tipo de impurezas, os cristais de diamante podem ser de cor vermelha, amarela, azul, roxa e marrom.

Diamantes lapidados são diamantes, sua característica é um maravilhoso jogo de luz. Um diamante adequado para joalheria é bastante raro. Em primeiro lugar, a mineração de diamantes é usada para fins técnicos.

É usado para retificar corpos extremamente rígidos, fazer lâminas para brocas de mineração, cortar vidro e criar rolamentos em instrumentos de precisão.

O aquecimento do diamante na ausência de ar a uma temperatura acima de 1500 ° C leva à produção de grafite. Reverter essa reação e converter grafite em diamante é uma operação difícil.

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4.2. Grafite

A segunda forma alotrópica básica de carbono é a grafite, também presente como mineral. É preto e cinza, é gorduroso e macio ao toque. Tem um brilho metálico fraco, conduz bem o calor e a eletricidade e tem uma densidade de 2,1 a 2,3 g / cm³.

A rede espacial desse mineral consiste em camadas paralelas nas quais os átomos de carbono têm um número de coordenação de 3. Ligações atômicas fortes ocorrem apenas entre os átomos de carbono na camada e, entre as camadas, essas ligações são mais fracas.

Grafite e aditivos de argila fina como um agente de ligação são usados ​​na produção de cadinhos de fusão de metal. Como o grafite conduz bem a eletricidade, ele é usado na fabricação de eletrodos para as indústrias eletro-metalúrgica e química.

Também utilizado para a produção de lápis, o grafite em suspensão em óleo de máquina é utilizado como lubrificante em mecanismos que operam a altas temperaturas ou como moderador em pilhas atômicas.

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4.3. Carbono amorfo

O carbono amorfo é produzido pela decomposição térmica de muitas substâncias orgânicas. As propriedades deste tipo de carvão (coque, fuligem, carvão vegetal e carvão ósseo) dependem em grande medida do produto inicial e da temperatura a que se realiza a decomposição.

Obtemos coque no processo de destilação a seco (aquecimento sem oxigênio) de carvão duro a uma temperatura de 1000 - 1200 ° C. É utilizado principalmente como combustível, bem como na síntese de compostos orgânicos em escala industrial.

O negro de fumo é um produto da decomposição térmica de muitos hidrocarbonetos e da combustão incompleta de várias substâncias orgânicas. É utilizado para a produção de tintas, tintas para pintura e impressão e para enchimento de borracha.

Obtemos carvão vegetal como produto da destilação seca acima mencionada. Possui boas propriedades de adsorção.

Como resultado da carbonização do carvão nas menores temperaturas possíveis com a adição de ZnCl2, obtemos carvão ativo com uma superfície bem desenvolvida. É usado para absorver gases ou substâncias dissolvidas em soluções (descoloração de solventes e preparações, secagem de gases, purificação do ar dos vapores). Ele também pode ser usado como um transportador de catalisador em síntese orgânica.

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