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As variedades alotrópicas do carbono - Conselho Regional de Química - IV Região

As variedades alotrópicas do carbono 

 


Conhecido desde 3750 a.C. o carbono foi um dos primeiros elementos a ser descoberto. O carvão vegetal era utilizado para reduzir os minérios de cobre, zinco e estanho na manufatura do bronze e como combustível doméstico. Documentos hindus de 450 a.C. fazem referência ao uso de carvão e areia para a purificação de água.

O carbono está presente em quase tudo o que conhecemos: ele pode formar cadeias longas e o número de compostos de carbono já obtidos ultrapassa os dez milhões. Suas variedades alotrópicas naturais vão do grafite, material opaco, condutor e de baixo valor agregado, ao diamante, que é translúcido, isolante e de altíssimo valor comercial. Características tão díspares surgem das estruturas diferentes de cada uma dessas variedades alotrópicas: o grafite é composto por infinitas camadas de átomos de carbono ligados entre si com hibridização sp2, enquanto os átomos de carbono do diamante formam um arranjo tridimensional tetraédrico com hibridização sp3. As diferenças estruturais são responsáveis pelas propriedades distintas destas duas variedades alotrópicas. Na escala Mohs o grafite tem dureza 1 e o diamante, que é o material mais duro conhecido, tem dureza 10 (a escala Mohs varia de 1 a 10).

Os fulerenos, outra forma alotrópica, foram descobertos em 1985 por H. W. Kroto e R. E. Smalley. Eles observaram estruturas constituídas de 44 a 90 átomos de carbono. As estruturas de 60 átomos de carbono tinham a forma de uma bola de futebol com 32 faces, sendo 20 hexagonais e 12 pentagonais. Essa espécie foi chamada de buckminsterfulereno, em homenagem ao arquiteto Richard Buckminster Fuller, passando a ser chamada simplesmente de fulereno ou C60. Em 2010, o telescópio Spitzer detectou pela primeira vez a existência de fulerenos no espaço.

A descoberta do C60 impulsionou a descoberta de outras estruturas de fulerenos, principalmente materiais nanoestruturados, sendo o maior destaque os nanotubos de carbono. O termo “nano” tem sido utilizado para materiais que têm pelo menos uma das suas dimensões com tamanho inferior a 100 nanômetros (1 nanômetro = 10-9 metro). Os nanotubos de carbono são estruturas formadas por átomos de carbono com ligações semelhantes às do grafite. Essas estruturas tubulares são utilizadas como reforço em vários materiais que necessitam de dureza elevada. A diferença de dureza entre o grafite e os nanotubos de carbono deve-se ao tipo de estrutura, uma vez que tubos são mais resistentes que camadas finas.

A Figura 1 mostra as estruturas das formas de carbono citadas acima. A diferença entre o diamante e o grafite fica mais clara visualmente: o diamante forma uma estrutura tridimensional compacta enquanto o grafite é formado por camadas bidimensionais que são ligadas por interações não-covalentes. O fulereno e o nanotubo de carbono apresentam estrutura oca.

Figura 1: Estruturas de três variedades alotrópicas do carbono

O material constituído por uma única camada de átomos de carbono que compõe o grafite é denominado grafeno. Tal camada apresenta um átomo de carbono de espessura. O grafeno foi obtido pela primeira vez utilizando-se um laser para extração do excesso de grafite até que restasse uma monocamada. Métodos de obtenção mais simples e baratos foram descobertos recentemente e várias tecnologias envolvendo os grafenos já estão sendo utilizadas. A Figura 2 mostra a estrutura básica do grafeno e uma raquete de tênis desse material para ilustração. As Figuras 1 e 2 podem ser encontradas na internet (veja por exemplo em: http://assets.inhabitat.com/files/carbon-nanotube.jpg , http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Graphen.jpg).

Figura 2 - Estrutura de grafeno e raquete de tênis que usa essa material

Pesquisas recentes mostraram que o grafeno pode substituir eletrodos de diodos orgânicos emissores de luz (OLED), das telas de dispositivos eletrônicos de baixo consumo de energia, que atualmente são feitos de índio.

O grafeno também pode ser utilizado em baterias de lítio. O ânodo da bateria tem um recobrimento de grafeno o que faz com que os íons de lítio se liguem mais facilmente no ânodo, o que diminui o tempo necessário para recarga da bateria.

No setor automobilístico, células de armazenamento de hidrogênio (células combustíveis) se utilizariam da maior energia de ligação hidrogênio-grafeno e da baixa densidade do grafeno, fazendo com que os tanques de combustível de carros movidos a hidrogênio fiquem mais leves e práticos.

Grafenos com buracos de um nanômetro de diâmetro ou menos, podem ser usados para retirar íons da água. Essa propriedade poderá ser utilizada futuramente para dessalinizar a água do mar.

Células solares mais baratas poderiam ser obtidas utilizando o grafeno como eletrodo e os fulerenos para absorver luz e gerar elétrons. Nesse caso, a célula solar seria constituída apenas de carbono. Técnicas e materiais caros não seriam mais necessários na produção de células solares, o que diminuiria os custos de produção.

Algumas moléculas que sinalizam doenças tem preferência para interagir com o carbono. Assim, devido à sua grande área superficial, o grafeno é um candidato em potencial na construção de sensores para diagnósticos.

Camadas de grafeno formando uma “espuma” podem ser utilizadas na detecção de explosivos. A resistência elétrica das camadas de grafeno sofre alterações em baixas concentrações de alguns vapores, como o de amônia, já que os sais de amônio são alguns dos principais constituintes de explosivos.

O grafeno chegou às quadras de tênis. A raquete do tenista Novak Djokovic, por exemplo, foi especialmente desenvolvida e contém grafeno na sua estrutura. A adição de grafeno levou a um aumento de durabilidade e melhor distribuição de peso na raquete, o que pode melhorar o desempenho do jogador.

As descobertas dos fulerenos e dos grafenos renderam o prêmio Nobel aos seus descobridores. O Nobel de Química foi concedido em 1996 a R. Crul, H. Kroto e R. Smalley pela descoberta dos fulerenos e pela descoberta dos grafenos foi concedido o Nobel de Física em 2010 a K. Novoselov e A. Geim.

Filipe B. Payolla é aluno de pós-graduação do IQ – UNESP/Araraquara
Prof. Dr. Antonio Carlos Massabni é professor titular do IQ – UNESP/Araraquara e conselheiro suplente do CRQ-IV
 


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Publicado em 13/02/2014


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