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Acesso em 20/07/2024 às 15h47.

Elementos Químicos – Carbono

Elementos Químicos – Carbono

 

Carbono, sinônimo de vida e muito mais

Carbono está na atmosfera, nas plantas, no solo, nas pedras, em nosso corpo e nos oceanos Foto: Jim’s outside photos on Visualhunt.com

 

O carbono é a espinha dorsal da vida na Terra. Nós somos feitos de carbono, comemos carbono e nossas civilizações – nossa economia, as casas onde vivemos e os meios de transporte que utilizamos – são construídos com carbono. [1]

Isso acontece porque o carbono é onipresente na natureza e um constituinte essencial de toda a matéria viva, como as proteínas, carboidratos e gorduras. [5]

Além dos seres vivos, ele se encontra também em restos fossilizados na forma de hidrocarbonetos, como carvão, gás natural, óleo cru e xisto betuminoso, e em carbonatos, como giz, calcário e dolomita. [4], [13]

Existem muitos outros elementos sem os quais a vida não existiria, mas, da coluna em espiral do DNA aos intrincados anéis e cadeias de esteroides e proteínas, o carbono é o elemento cujas propriedades únicas permitem tudo isso. [4], [13]

História – O nome carbono provém da palavra latina carbo, ou carvão. O carbono foi descoberto na pré-história. [3]

Ao longo do tempo, carvão, grafite e diamante foram sendo reconhecidos como formas do mesmo elemento. O diamante foi o que apresentou a maior dificuldade de identificação. O naturalista Giuseppe Averani e o médico Cipriano Targioni foram os primeiros a descobrir que diamantes podem ser destruídos por aquecimento. Em 1694 eles expuseram um diamante à luz do Sol usando uma grande lente, e a pedra finalmente desapareceu. Pierre-Joseph Macquer e Godefroy de Villetaneuse repetiram o experimento em 1771. Então, em 1796, o químico inglês Smithson Tennant finalmente provou que o diamante é uma forma de carbono, ao mostrar que quando queima ele forma apenas CO2. Pouco antes disso, em 1782, Antoine Lavoisier já tinha concluído que a queima de carbono ou diamante fornece exclusivamente gás carbônico.  [4], [8]

Monômeros da vida – O carbono é essencial à vida. Isso ocorre porque ele é capaz de formar uma imensa variedade de cadeias de diferentes comprimentos. Os seres vivos obtêm quase todo o carbono de que necessitam a partir do dióxido de carbono, tanto da atmosfera quanto dissolvido na água. A fotossíntese das plantas verdes e do plâncton fotossintético usa energia do sol para quebrar água em oxigênio e hidrogênio. O oxigênio é liberado na atmosfera, na água corrente e nos oceanos, e o hidrogênio se junta ao dióxido de carbono para produzir carboidratos. [4]

Junto com o nitrogênio, fósforo e outros elementos, alguns dos carboidratos são usados para formar outras moléculas de monômeros da vida. Isso inclui bases e açúcares para o RNA e DNA e aminoácidos para as proteínas. O carbono é o segundo elemento mais abundante no corpo humano em massa, cerca de 18,5%, só atrás do oxigênio. [4], [3]

 

O carbono tem capacidade de formar ligações que geram uma interminável variedade de complexas moléculas orgânicas, Foto: niiicedave on Visualhunt

 

Os seres vivos que não fazem fotossíntese têm que consumir outros organismos vivos para obter sua fonte de moléculas de carbono. Seus sistemas digestivos quebram os carboidratos em monômeros, que podem ser usados na construção de suas próprias estruturas celulares. A respiração fornece a energia necessária para essas reações. Na respiração, o oxigênio se reúne aos carboidratos para formar dióxido de carbono e água novamente. A energia liberada nesta reação é disponibilizada para as células. [4]

Há 150 anos a concentração natural de dióxido de carbono na atmosfera terrestre era de 280 ppm. Em 2013, como resultado de queima de combustíveis fósseis com oxigênio, era de 390 ppm.  O dióxido de carbono na atmosfera permite a entrada da luz visível, mas impede a saída de alguns raios infravermelhos, o que é denominado efeito estufa natural, já que mantém a Terra aquecida o suficiente para sustentar a vida. No entanto, o agravamento do efeito estufa é um processo em andamento devido ao aumento das emissões de dióxido de carbono na atmosfera em consequência das atividades humanas. Isto está afetando os seres vivos, já que muda o clima. [4]

No universo e em 10 milhões de compostos – O carbono é um não-metal de número atômico 6 e símbolo C. Ele pertence ao grupo 14 da tabela periódica.

Forjado no núcleo de estrelas antigas, o carbono é o quarto elemento mais abundante no Universo. É encontrado no Sol e em outras estrelas. Ele se forma por fusão nuclear em estrelas maiores. Está presente na atmosfera de muitos planetas, normalmente como dióxido de carbono. A atmosfera de Marte contém 96,2% de CO2. O carbono em forma de diamantes microscópicos é encontrado em alguns meteoritos. [1], [4], [3]

 

Paisagem de Marte em imagem da Nasa: dióxido de carbono está presente na atmosfera do planeta vermelho. Foto: NASA/JPL/Arizona State University, R. Luk

 

A maioria do carbono existente na Terra – algo da ordem de 65.500 bilhões de toneladas – está contida em pedras. O resto encontra-se nos oceanos, na atmosfera, nos rios, nas plantas, no solo e nos combustíveis fósseis. [1], [2]

O carbono ocorre em grandes quantidades quando combinado com outros elementos e compostos, principalmente no carvão, petróleo e rochas do tipo carbonatos, como calcita CaCO3, magnesita MgCO3 e dolomita MgCO3.CaCO3. Existem cerca de 10 milhões de compostos de carbono conhecidos, e um ramo da química dedicado a seu estudo, a Química Orgânica. [5], [2]

Fonte de energia muito poluente – Três formas de carbono são manufaturadas em vasta escala e usadas extensivamente pela indústria: o coque, o carvão e o carvão ativado. O carbono impuro na forma de carvão vegetal, originado de antigas florestas, e o coque, originado do carvão mineral, é usado na fundição de metal. Ele é importante nas indústrias de aço e ferro. [9], [4]

Entre os diversos combustíveis produzidos e conservados pela natureza sob a forma fossilizada, o carvão mineral parece ser o mais abundante. O coque e o alcatrão de hulha, seus subprodutos, são vitais para muitas indústrias modernas. [12]

 

Amostra de antracito, com alta percentagem de carbono: carvão duro, quebradiço e lustroso – Foto: Domínio público

 

O carvão mineral é uma rocha sedimentar combustível, de cor preta ou marrom. Existem quatro tipos principais de carvão mineral: turfa, linhito, hulha e antracito. Ele é extraído do solo por mineração a céu aberto ou subterrânea. [12]

A queima de carvão para obtenção de energia produz efluentes altamente tóxicos, como o mercúrio, e metais pesados, como vanádio, cádmio, arsênio e chumbo. Além disso, a liberação de dióxido de carbono causa poluição na atmosfera, agravando o aquecimento global e contribuindo para a chuva ácida. Na década de 1950, a poluição atmosférica causada pelo uso do carvão causou mortes e deixou milhares de pessoas doentes em Londres, durante uma situação de emergência conhecida como “o grande nevoeiro de 1952”. [12]

Por esse motivo o carvão se situa hoje no centro das discussões sobre clima e energia, porque é a maior fonte de energia disponível globalmente para a geração de eletricidade e para a produção de ferro, aço e cimento, mas também é a maior fonte isolada das emissões de dióxido de carbono (CO2). [14]

O consumo mundial de carvão pode ter atingido um novo recorde em 2022, chegando a 8 bilhões de toneladas. Isso foi provocado pela crise mundial de energia deflagrada pela invasão da Rússia à Ucrânia, ocorrida em 24 de fevereiro daquele ano, de acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA). China e Índia são os maiores consumidores mundiais de carvão, e também são os maiores produtores e importadores do minério, segundo a IEA. [14]

Vídeo da Universidade de Nottingham aborda o carbono, suas características químicas e sua importância para a vida. Com legendas traduzidas pelo Prof. Luis Brudna, da Universidade Federal do Pampa.

 

 

Diamante, grafite e nanoformas – Estimativas sobre a ocorrência do carbono na crosta terrestre o colocam na posição de 17º elemento mais abundante. [9]

O grafite natural – também chamado de grafita – é largamente distribuído na natureza em rochas ígneas, sedimentares, metamórficas, e encontrado também em meteoritos de ferro-níquel. Ele é um mineral macio e flexível, com baixa dureza, que pode ser riscado com a unha. É o melhor condutor térmico e elétrico entre os não metais. [10]

Diamante e grafita: carbono puro . Foto: Robert M. Lavinsky, via Wikimedia Commons

 

O principal uso da grafita é na indústria de refratários, em tijolos de alta temperatura, revestimentos utilizados na produção de metal, cerâmica, petroquímica e nas indústrias de cimento. A grafita também é utilizada nos lápis, geralmente misturada com caulinita; em eletrodos; escovas de polimento; lubrificantes; reatores; cadinhos; baterias; na indústria do ferro e do aço; em tintas; galvanoplastia e munição. [10]

Os maiores produtores mundiais de grafita em 2021 foram China, Brasil, Moçambique e Rússia. A produção mundial naquele ano foi de um milhão de toneladas, de acordo com o Serviço Geológico dos Estados Unidos. A produção brasileira foi de 68 mil toneladas, segundo a mesma fonte. As reservas de grafita no mundo são estimadas em 320 milhões de toneladas. [6]

O diamante é um sólido cristalino sem cor, transparente e um dos materiais mais duros que se conhece. É a única gema constituída por apenas um elemento, o carbono. Sua beleza se deve à propriedade de alta refração e dispersão da luz, que o torna cintilante e quase que dotado de brilho próprio. [4], [11]

Os diamantes são encontrados em antigas crateras vulcânicas, em rochas chamadas quimberlitos, mas são muito raros: o teor de diamantes em uma cratera de quimberlitos é da ordem de 1 parte para 15 milhões, e sua extração inclui um extenso trabalho para triturar a rocha, lavar e finalmente separar os diamantes. Tudo isso explica seu alto preço. [9]

Os diamantes naturais são normalmente utilizados em joalheria. Já a maior parte dos diamantes destinados à indústria é produzida artificialmente. São pequenos diamantes feitos por compressão do grafite a alta pressão e temperatura por vários dias ou semanas. Os diamantes industriais são usados na fabricação de instrumentos de corte para rochas e em perfuração. Filmes de diamantes são usados para proteger superfícies, como lâminas de barbear. [4]

O peso ou o tamanho do diamante é medido em quilates. Um quilate tem 0,2 g ou 200 mg, e corresponde a 100 pontos. [7]

A produção mundial de diamantes industriais foi de 45 milhões de quilates em 2021, sendo os maiores produtores Rússia, Austrália, Congo e Botsuana. Os diamantes naturais respondem por apenas 4% dos diamantes utilizados no mundo, enquanto os diamantes sintéticos suprem o restante da demanda. Os maiores consumidores de diamantes industriais são as indústrias de chips para computadores; a construção civil; a perfuração de minas, gás natural e óleo; a manufatura de máquinas e o corte e polimento de pedras. [6]

Além do diamante e do grafite existem as nano-formas de carbono, fulereno e grafeno, que têm a aparência de um pó preto ou marrom escuro, como uma fuligem. Essas outras formas puras de carbono foram descobertas mais recentemente. Os nanotubos de carbono, fulerenos e folhas de grafeno, com espessura de átomos, têm revolucionado os equipamentos usados pela indústria eletrônica e a nanotecnologia em geral.  [4]

Artigo publicado na Revista Polímeros, assinado pelos pesquisadores Paulo Eduardo Ferrari e Mirabel C. Rezende, da Divisão de Materiais/Instituto de Aeronáutica e Espaço/Centro Técnico Aeroespacial de São José dos Campos (SP) aborda a produção dos carbonos poliméricos, “que são materiais constituídos basicamente do elemento carbono, arranjado em orbitais Sp2, formando camadas de planos de hexágonos com diferentes graus de ordenação. Em função de suas características mecânicas, elétricas e de inércia química o processamento desses materiais é considerado como tecnologia de ponta e os produtos obtidos têm encontrado aplicação em diferentes áreas. Os pontos sensíveis desta tecnologia são o processamento dos precursores poliméricos orgânicos utilizados como matérias-primas, e os parâmetros de tratamento térmico adotados. Em função da aplicação final deste tipo de material o seu processamento é ajustado, de modo a permitir a obtenção de produtos com diferentes características finais.” [15]

 

Referências:

[1] The Carbon Cycle. Disponível em https://earthobservatory.nasa.gov/features/CarbonCycle. Acesso em 06/01//2023.

[2] The Element Carbon. Disponível em https://education.jlab.org/itselemental/ele006.html.  Acesso em 20/12/2022.

[3] Carbon. Disponível em https://periodic.lanl.gov/6.shtml. Acesso em 20/12/2022.

[4] Carbon2. Disponível em https://www.rsc.org/periodic-table/element/6/carbon. Acesso em 20/12/2022.

[5] Lee, J. D. (1991). Química inorgânica não tão concisa. Editora Edgard Blucher.

[6] Graphite. Disponível em https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-graphite.pdf. Acesso em 06/01/2023.

[7] Diamante – Sumário Mineral 2014. Disponível em https://www.gov.br/anm/pt-br/centrais-de-conteudo/dnpm/sumarios/diamante-sumario-mineral-2014/view. Acesso em 06/01/2023.

[8] Maar, J. H. (2011). História da Química – segunda parte. Florianópolis: Papa-Livro.

[9] Greenwood N. N., Earnshaw A. (1997). Chemisty of the Elements. Great Britain: Butterworth-Heinemann.

[10] Grafita. Disponível em https://portaldamineracao.com.br/grafita/. Acesso em 01/02/2023.

[11] Carlos Conejo, Andrea Bartorelli. (2010). Minerais e pedras preciosas do Brasil. São Paulo: Solaris Edições Culturais.

[12] Carvão. Disponível em https://idmbrasil.org.br/item/carvao/116/. Acesso em 06/01/2023.

[13] Theodore Gray. (2011). Os Elementos – Uma exploração Visual dos Átomos conhecidos no Universo. São Paulo: Editora Edgard Blucher.

[14] The world’s coal consumption is set to reach a new high in 2022 as the energy crisis shakes markets. Disponível em https://www.iea.org/news/the-world-s-coal-consumption-is-set-to-reach-a-new-high-in-2022-as-the-energy-crisis-shakes-markets. Acesso em 09-02-2023.

[15] Carbono Polimérico: Processamento e Aplicação. Disponível em https://revistapolimeros.org.br/article/10.1590/S0104-14281998000400005/pdf/polimeros-8-4-22.pdf.  Acessado em 23/04/2024.

 

ATENÇÃO! Os experimentos com substâncias químicas mostrados nos vídeos aqui incluídos só devem ser reproduzidos na presença de um profissional ou professor de química, e em ambiente controlado. Não tente reproduzir esses experimentos por conta própria.

 

 Artigo produzido pela Assessoria de Comunicação e Marketing do CRQ-IV/SP, sob supervisão técnica de
Marta Eliza Bergamo, do Centro de Educação Tecnológica da Fundação Indaiatubana de Educação e Cultura – FIEC

Publicado em 01/07/2024

 

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