Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos - Ciência - 2023

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o alótropos de carbono eles são as diferentes formas físicas nas quais seus átomos podem ser organizados e ligados. Cada um corresponde a um sólido com características especiais próprias. Molecularmente e estruturalmente, eles são distintos um do outro. Existem dois tipos principais desses alótropos: cristalino e amorfo.

Alótropos cristalinos são aqueles que têm um padrão de repetição de seus átomos no espaço. Enquanto isso, em alótropos amorfos, os átomos são arranjados desordenadamente, sem que haja duas regiões idênticas no sólido. Assim, os primeiros são ordenados e os últimos estão desordenados.

Entre os cristalinos estão o diamante (a) e o grafite (e) por excelência. Observam-se na imagem superior diferentes estruturas que possuem um aspecto comum: são compostas apenas por átomos de carbono (esferas pretas).

E entre os alótropos amorfos, temos o carbono amorfo (b), que, como pode ser visto, tem estrutura desordenada. No entanto, existem muitos tipos de carbonos amorfos, por isso é uma família de sólidos.

Além disso, átomos de carbono podem formar supramoléculas, como fulerenos (c) e nanotubos (d). Essas supramoléculas podem variar em tamanho e forma, mas mantêm as mesmas geometrias; esférico e tubular para fulerenos e nanotubos, respectivamente.

Ligações covalentes de carbono

Antes de abordar alguns dos alótropos conhecidos do carbono, é necessário revisar como os átomos de carbono estão ligados.

De acordo com a teoria das ligações de valência, o carbono tem quatro elétrons em sua camada de valência, com os quais eles formam ligações covalentes. Graças à promoção e hibridização eletrônica, os quatro elétrons podem ser colocados em quatro orbitais separados, sejam eles puros ou híbridos.

Portanto, o carbono tem a capacidade de formar no máximo quatro ligações.

DC. Como existem quatro ligações C-C, os átomos atingem o octeto de valência e se tornam muito estáveis. No entanto, isso não quer dizer que não possa haver apenas três desses links, como aqueles vistos nos hexágonos.

Hexágonos

Dependendo das hibridizações do átomo de carbono, ligações duplas ou triplas podem ser encontradas na estrutura de seus respectivos alótropos. Mas, ainda mais evidente do que a existência de tais ligações, é a geometria que os carbonos adotam.

Por exemplo, se um hexágono é observado, isso significa que os carbonos têm hibridização sp² e, portanto, tem um orbital p puro com um elétron solitário. Você pode ver hexágonos perfeitos na primeira imagem? Esses alótropos que os contêm implicam que seus carbonos são sp²se há ou não ligações duplas (como as do anel de benzeno).

Uma malha, plano ou camada hexagonal consiste então em carbonos sp² que tem um "teto" ou "nuvem" eletrônico, produto do elétron desemparelhado do orbital p. Esse elétron pode formar ligações covalentes com outras moléculas ou atrair cargas positivas de íons metálicos; como o K⁺ e Na⁺.

Da mesma forma, esses elétrons permitem que essas camadas se empilhem uma sobre a outra, sem ligação (devido a um impedimento geométrico e espacial para a sobreposição dos dois orbitais p) Isso significa que alótropos com geometrias hexagonais podem ou não ser solicitados para construir um cristal.

Tetraedro

Se um tetraedro for observado, como será explicado na última seção, significa que os carbonos possuem hibridização sp.³. Neles, há quatro ligações C-C simples, e eles formam uma rede cristalina tetraédrica. Em tais tetraedros não há elétrons livres como nos hexágonos.

Carbono amorfo

O carbono amorfo pode ser imaginado como uma espécie de esponja porosa, com muitas redes hexagonais e tetraédricas arbitrariamente arranjadas. Nesta matriz mineral eles podem aprisionar outros elementos, que podem compactar ou expandir a dita esponja; e da mesma forma, seus núcleos estruturais podem ser maiores ou menores.

Assim, dependendo da% de carbono, vários tipos de carbonos amorfos são derivados; tais como fuligem, carvão, antracite, negro de fumo, turfa, coque e carvão ativado.

À primeira vista, todos parecem remotamente semelhantes (imagem superior), com gradações até a borda de tons pretos, suaves ou metálicos e acinzentados.

Nem todos os carbonos amorfos têm a mesma origem. O carbono vegetal, como o próprio nome sugere, é o produto da combustão de massas vegetais e madeira. Já o negro de fumo e o coque são produtos de diferentes estágios e condições dos processos de petróleo.

Embora não pareçam muito atraentes e pode-se acreditar que servem apenas como combustíveis, as porosidades de seus sólidos chamam a atenção em aplicações de purificação tecnológica, como armazenamento de absorventes e substâncias, e também como suportes catalíticos.

Politipismo

As estruturas dos carbonos amorfos são complexas e desordenadas; No entanto, estudos cristalográficos mostraram que eles são, na verdade, politipos tetraédricos (diamante) e hexagonais (grafite), dispostos arbitrariamente em camadas.

Por exemplo, se T e H são as camadas tetraédrica e hexagonal, respectivamente, então um carbono amorfo pode ser estruturalmente descrito como: THTHHTH; ou HTHTTHTHHHT, etc. Certas sequências de camadas T e H definem um tipo de carbono amorfo; mas dentro deles, não há tendência ou padrão repetitivo.

É por esta razão que é estruturalmente difícil caracterizar esses alótropos de carbono; e em vez disso, prefere-se a sua% de carbono, que é uma variável que facilita suas diferenças, bem como suas propriedades físicas e sua tendência a queimar ou queimar.

Grupos funcionais

Foi mencionado que os planos hexagonais têm um elétron desemparelhado com o qual pode formar uma ligação com outras moléculas ou átomos. Se, para dizer, as moléculas circundantes são o H₂O e CO₂, Pode-se esperar que os grupos OH e COOH se formem, respectivamente. Eles também podem se ligar a átomos de hidrogênio, formando ligações C-H.

As possibilidades são muito variadas, mas em resumo os carbonos amorfos podem hospedar grupos funcionais oxigenados. Quando esses heteroátomos estão presentes, eles não estão localizados apenas nas bordas dos planos, mas também e até mesmo dentro deles.

Grafite

A imagem superior mostra um modelo com esferas e cordões da estrutura cristalina do grafite. As sombras das esferas, felizmente, ajudam a visualizar as nuvens π produto da deslocalização de seus elétrons desemparelhados. Isso foi mencionado na primeira seção, sem tantos detalhes.

Essas nuvens π podem ser comparadas a dois sistemas: o dos anéis de benzeno e o dos "mares de elétrons" nos cristais metálicos.

Orbitais p eles se unem para construir uma trilha através da qual os elétrons viajam livremente; mas apenas entre duas camadas hexagonais; perpendicular a eles, não há fluxo de elétrons ou corrente (os elétrons teriam que passar pelos átomos de carbono).

Como há uma migração constante de elétrons, dipolos instantâneos são formados constantemente, o que induz outros dipolos de átomos de carbono que estão acima ou abaixo; isto é, as camadas ou folhas de grafite permanecem juntas graças às forças de dispersão de Londres.

Essas camadas hexagonais, como era de se esperar, criam um cristal de grafite hexagonal; ou melhor, uma série de pequenos cristais conectados em diferentes ângulos. As nuvens π se comportam como se fossem uma "manteiga elétrica", permitindo que as camadas deslizem para fora de qualquer perturbação externa nos cristais.

Propriedades físicas

As propriedades físicas da grafita são fáceis de entender, uma vez que sua estrutura molecular foi abordada.

Por exemplo, o ponto de fusão do grafite é muito alto (acima de 4400ºC), pois a energia fornecida na forma de calor tem que separar irreversivelmente as camadas hexagonais, e também quebrar seus hexágonos.

Foi dito que suas camadas podem deslizar umas sobre as outras; E não só, mas também podem acabar em outras superfícies, como a celulose que compõe o papel quando depositada a partir do grafite dos lápis. Esta propriedade permite que o grafite atue como um excelente lubrificante.

E, já mencionado, é um bom condutor de eletricidade, e também de calor e som.

Grafenos

Embora não tenha sido mostrado na primeira imagem, este alótropo de carbono não pode ser deixado de fora. Suponha que as camadas de grafite sejam apreendidas e condensadas em uma única folha, aberta e cobrindo uma grande área. Se isso fosse feito molecularmente, os grafenos nasceriam (imagem superior).

Portanto, grafenos é uma folha grafítica individual, que não interage com outras e pode ondular como uma bandeira. Observe que ele se parece com as paredes dos favos de mel.

Essas folhas de grafeno preservam e multiplicam as propriedades do grafite. Seus hexágonos são muito difíceis de separar, pelo que apresentam uma resistência mecânica abismal; ainda maior do que o aço. Além disso, são extremamente leves e finos e, teoricamente, um grama deles seria suficiente para cobrir um campo de futebol inteiro.

Se você olhar para a imagem superior novamente, verá que não há ligações duplas. Certamente, pode haver, assim como ligações triplas (graffins). É aqui que a química do grafeno se abre, digamos.

Assim como a grafite e as demais camadas hexagonais, outras moléculas podem ser fixadas covalentemente à superfície do grafeno, funcionalizando sua estrutura para aplicações eletrônicas e biológicas.

Nanotubos de carbono

Agora, suponha que pegamos as folhas de grafeno e começamos a enrolá-las em um tubo; estes são nanotubos de carbono. Os comprimentos e raios desses tubos são variáveis, assim como suas conformações espaciais. Junto com o grafeno e os fulerenos, esses nanotubos constituem a tríade dos mais incríveis alótropos de carbono.

Conformações estruturais

Três nanotubos de carbono são mostrados na imagem superior. Qual a diferença entre eles? Todos os três têm paredes padronizadas hexagonais e exibem as mesmas propriedades de superfície já discutidas. A resposta então está nas orientações relativas desses hexágonos.

A primeira conformação corresponde ao tipo ziguezague (canto superior direito). Se observado cuidadosamente, será apreciado que ele possui fileiras de hexágonos posicionados perfeitamente perpendiculares ao eixo longitudinal do tubo.

Em contraste, para conformação de tipo poltrona, ou cadeira (canto inferior direito), os hexágonos são dispostos em fileiras na mesma direção do eixo longitudinal do tubo. No primeiro nanotubo, os hexágonos correm pela superfície no sentido de seu diâmetro, e no segundo nanotubo, eles correm ao longo da superfície, "ponta a ponta".

E, finalmente, há o nanotubo quiral (canto esquerdo inferior). Compare com uma escada em espiral indo para a esquerda ou direita. A mesma coisa acontece com esse nanotubo de carbono: seus hexágonos estão dispostos de forma ascendente para a esquerda ou direita. Como existem duas versões espaciais, diz-se que exibe quiralidade.

Fulerenos

Nos fulerenos, os hexágonos ainda são mantidos, mas, além disso, aparecem os pentágonos, todos com carbonos sp.². Os lençóis ou capas já foram deixados para trás: agora foram dobrados de maneira que formam uma bola, semelhante a uma bola de futebol; e dependendo do número de carbonos, para uma bola de rugby.

Fulerenos são moléculas que diferem em tamanho. O mais famoso é o C₆₀ (imagem superior). Esses alótropos de carbono devem ser tratados como balões, que podem se apertar para formar cristais, nos quais íons e outras moléculas podem ficar presos em seus interstícios.

Essas bolas são portadores ou suportes especiais para moléculas. Como? Através das ligações covalentes à sua superfície, especialmente, aos carbonos adjacentes de um hexágono. Diz-se então que o fulereno foi funcionalizado (um aduto exohédrico).

Suas paredes podem ser quebradas estrategicamente para armazenar moléculas dentro; assemelhando-se a uma cápsula esférica. Da mesma forma, essas bolas podem apresentar rachaduras e ser funcionalizadas ao mesmo tempo; tudo dependerá da aplicação a que se destinam.

E, finalmente, o mais conhecido de todos os alótropos do carbono: o diamante (embora nem todos sejam de carbono).

Estruturalmente, consiste em átomos de carbono sp³, formando quatro ligações C-C e uma rede tridimensional de tetraedros (imagem superior) cuja célula cristalina é cúbica. É o mais duro dos minerais e seu ponto de fusão é próximo a 4000ºC.

Seus tetraedros são capazes de transferir calor com eficiência por toda a estrutura cristalina; mas não com a eletricidade, porque seus elétrons estão muito bem localizados em suas quatro ligações covalentes e ela não pode ir a lugar nenhum. Portanto, é um bom condutor térmico, mas é um isolante elétrico.

Dependendo de como é facetado, pode espalhar luz em muitos ângulos brilhantes e atraentes, razão pela qual são cobiçados como pedras preciosas e joias.

A rede é muito resistente, pois precisaria de muita pressão para movimentar seus tetraedros. Essa propriedade o torna um material de alta resistência mecânica e dureza, capaz de realizar cortes precisos e limpos, como o bisturi com ponta de diamante.

Suas cores dependem de seus defeitos cristalográficos e de suas impurezas.

Referências

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