Tabela periódica

Carbono (C)

Howard Birdsong Compilado a partir de fontes primárias IUPAC, NIST e PubChem

O carbono é o elemento 6, de símbolo C, configuração eletrónica [He] 2s² 2p² e massa atómica padrão compreendida entre 12,0096 e 12,0116 u. É a base de toda a química orgânica e define a unidade de massa atómica: o carbono 12 pesa exatamente 12 u por convenção.

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.

Dados essenciais

Z
6
Atomic weight
12.011 u
Category
não metal reativo
State at 298 K
Solid
Occurrence
primordial
Discovered
1789
CAS
7440-44-0

Propriedades medidas

PropertyValueSource
Electronegativity 2.55 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 3,823 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 4,098 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 2.267 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 170 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 1,086.4 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)
Electron affinity 121.9 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

Configuração eletrónica

2 4 C
Noble gas notation
[He] 2s² 2p²
Full notation
1s² 2s² 2p²
Electrons per shell
2, 4

Isótopos

Perguntas frequentes

Por que é que o diamante e a grafite são tão diferentes se ambos são carbono puro?

Pela forma como os átomos se ligam. No diamante cada carbono une-se a outros quatro numa rede tridimensional rígida com hibridação sp³. Na grafite cada carbono une-se a três em lamelas planas com hibridação sp², e as lamelas mantêm-se unidas apenas por forças fracas. Daí que o diamante seja o material natural mais duro e a grafite se desfaça entre os dedos: a diferença não está no átomo mas na geometria.

Como funciona a datação por carbono 14?

Os raios cósmicos produzem carbono 14 na alta atmosfera a um ritmo aproximadamente constante. Os seres vivos incorporam-no enquanto respiram ou se alimentam, pelo que a sua proporção reflete a atmosférica. Ao morrer, a troca cessa e o carbono 14 começa a desintegrar-se com um período de 5 700 anos. Medindo quanto resta calcula-se o tempo decorrido. O método serve até cerca de 50 000 anos, após os quais resta demasiado pouco para ser medido.

Por que é que o carbono forma tantos mais compostos do que o silício, que está mesmo por baixo?

Porque a ligação carbono-carbono é forte e estável, com cerca de 346 kJ/mol, enquanto a silício-silício ronda os 222 kJ/mol. O carbono forma cadeias longas sem enfraquecer; o silício não. Além disso, o carbono forma ligações duplas e triplas eficazes por sobreposição p-p, algo que ao silício, maior, é muito mais difícil.

O que é o grafeno e por que se lhe deu tanta importância?

É uma única lamela de grafite, com um átomo de espessura. Acreditava-se que um cristal bidimensional não podia ser estável, até que em 2004 Geim e Novoselov o isolaram com fita-cola. Conduz a eletricidade melhor do que o cobre, é cerca de duzentas vezes mais resistente do que o aço em relação ao seu peso e é quase transparente. Receberam o Nobel da Física em 2010.

Fontes