Por que há mais compostos de carbono do que de tudo o resto?
Conhecem-se mais de dez milhões de compostos orgânicos face a pouco mais de cem mil inorgânicos. A desproporção tem uma explicação concreta e mensurável.
A ligação carbono-carbono tem uma energia de dissociação de cerca de 346 kJ/mol. Isso é praticamente o mesmo que a ligação carbono-hidrogénio, 413 kJ/mol, ou a carbono-oxigénio, 358. A consequência é que a um átomo de carbono é igualmente favorável ligar-se a outro carbono ou a qualquer outra coisa.
Essa propriedade, chamada catenação, permite construir cadeias e anéis de comprimento arbitrário sem que a estrutura perca estabilidade. Uma molécula de cinquenta carbonos é tão viável como uma de dois.
O silício, situado logo abaixo na tabela, tem quatro eletrões de valência tal como o carbono, mas a sua ligação consigo próprio fica-se pelos 222 kJ/mol, ao passo que a ligação silício-oxigénio chega aos 452. Um composto de silício na presença de oxigénio tende sempre a converter-se em sílica. Por isso a crosta terrestre é de silicatos e a vida é de carbono.
À catenação soma-se a capacidade de formar ligações múltiplas. O carbono estabelece ligações duplas e triplas eficazes porque as suas orbitais p são compactas e se sobrepõem bem de lado. As do silício, mais difusas, não o conseguem.
O que são os alótropos do carbono?
Formas distintas do mesmo elemento, com propriedades opostas.
O diamante tem cada átomo ligado a outros quatro em disposição tetraédrica, com hibridação sp³, numa rede tridimensional contínua. Todos os eletrões de valência estão comprometidos em ligações, pelo que não conduz eletricidade, e partir o cristal exige quebrar ligações covalentes: daí a sua dureza de 10 na escala de Mohs.
A grafite tem cada átomo ligado a outros três em lamelas hexagonais planas, com hibridação sp². O quarto eletrão fica deslocalizado num sistema π que percorre a lamela, o que torna a grafite condutora. As lamelas mantêm-se unidas apenas por forças de dispersão e deslizam umas sobre as outras, o que explica que sirva de lubrificante e que deixe traço no papel.
Curiosamente, a grafite é a forma termodinamicamente estável à pressão e temperatura ordinárias. Um diamante é metastável e converte-se lentamente em grafite, embora a barreira de energia seja tão alta que o processo demore escalas de tempo geológicas.
Os fulerenos, descobertos em 1985, são gaiolas fechadas; o mais conhecido, C₆₀, tem a geometria de uma bola de futebol. Os nanotubos são lamelas de grafeno enroladas. O grafeno é uma lamela solta com um átomo de espessura.
Como funciona a datação por carbono 14?
O carbono natural é quase todo carbono 12, com 1,1 % de carbono 13. O carbono 14 existe em proporção ínfima, da ordem de uma parte por bilião, e é radioativo.
Produz-se continuamente na alta atmosfera quando os neutrões gerados por raios cósmicos chocam com núcleos de azoto 14. O carbono 14 resultante oxida-se a dióxido de carbono e mistura-se com o resto.
Enquanto um organismo vive, troca carbono com o meio e mantém a proporção atmosférica. Ao morrer, a troca cessa. O carbono 14 desintegra-se por emissão beta e volta a azoto 14 com um período de semidesintegração de 5 700 anos.
Medir quanto resta dá a idade. Após 5 700 anos resta metade; após 11 400, um quarto. Por volta dos 50 000 anos o sinal confunde-se com o ruído de fundo, e esse é o limite prático do método.
Willard Libby desenvolveu-o em 1949 e recebeu o Nobel em 1960. A técnica exige uma correção importante: a proporção atmosférica não foi constante, e calibra-se com anéis de crescimento de árvores de idade conhecida.
⚠️ Os ensaios nucleares atmosféricos dos anos cinquenta e sessenta duplicaram o carbono 14 da atmosfera. Esse pico permite datar com precisão de um ano material formado depois de 1955, e é uma ferramenta forense.
Por que é que o carbono define a unidade de massa atómica?
Por convenção internacional, um átomo de carbono 12 tem exatamente 12 unidades de massa atómica. Não é uma medição mas uma definição: a unidade foi estabelecida a partir desse isótopo.
A escolha data de 1961 e resolveu uma discrepância. Os físicos usavam o oxigénio 16 como referência; os químicos usavam o oxigénio natural, que é uma mistura de três isótopos. As duas escalas diferiam em cerca de 275 partes por milhão, o suficiente para causar confusão.
O carbono 12 foi proposto como compromisso. É abundante, fácil de manejar num espetrómetro de massa e a sua escolha deslocava ambas as escalas antigas o menos possível.
A massa atómica padrão do carbono não é, porém, 12 exato, mas um intervalo de 12,0096 a 12,0116 u. A razão é a presença do carbono 13, cuja proporção varia com a origem: as plantas discriminam ligeiramente contra o isótopo pesado durante a fotossíntese, e fazem-no de maneira diferente consoante a sua via metabólica.
Essa assinatura isotópica permite distinguir o açúcar de cana do de beterraba, ou detetar a adulteração de um mel.
Onde está o carbono da Terra?
Muito pouco na atmosfera, apesar da atenção que recebe.
A maior reserva de longe são as rochas carbonatadas: calcários, dolomias e mármores, que somam dezenas de milhões de gigatoneladas. Esse carbono provém em grande parte de conchas e esqueletos de organismos marinhos acumulados durante centenas de milhões de anos.
Os oceanos contêm cerca de 38 000 gigatoneladas de carbono dissolvido, sobretudo como ião bicarbonato. A biosfera terrestre e os solos somam cerca de 2 000. Os combustíveis fósseis, cerca de 4 000. A atmosfera, cerca de 870.
A troca entre estes reservatórios constitui o ciclo do carbono. Os fluxos naturais são enormes e aproximadamente equilibrados: a fotossíntese retira anualmente cerca de 120 gigatoneladas e a respiração devolve quantidade semelhante.
A combustão de carvão, petróleo e gás acrescenta a esse ciclo cerca de 10 gigatoneladas anuais que estavam fora de circulação desde o Carbonífero. É um valor pequeno face aos fluxos naturais e grande face ao desequilíbrio entre eles, e essa distinção é a chave para perceber por que se acumula.