Por que o carbono é tão especial?

Porque o carbono é o elemento da vida.

É um dos elementos mais abundantes do universo e é essencial para a vida na Terra.

E depois de uma afirmação tão importante, explicamos os motivos, mas não antes de explicar as suas características técnicas.

O carbono é um elemento químico fundamental, simbolizado pela letra C na tabela periódica e com número atômico 6. Esse número atômico significa que um átomo de carbono possui 6 prótons em seu núcleo. Possui também 6 elétrons, que estão distribuídos em dois níveis de energia: dois no primeiro nível e quatro no segundo.

O carbono é o elemento que diferencia os compostos orgânicos dos inorgânicos.

Um composto orgânico é uma molécula que contém carbono e, na maioria dos casos, hidrogênio, formando a base da química orgânica. Esses compostos são fundamentais para a vida e constituem a estrutura dos organismos vivos. Os compostos orgânicos incluem uma ampla variedade de moléculas, como:

• Hidrocarbonetos: Compostos constituídos apenas por carbono e hidrogênio, como o metano (CH₄).
• Carboidratos: Açúcares e amidos que fornecem energia aos organismos.
• Proteínas: Moléculas formadas por aminoácidos que desempenham funções estruturais e enzimáticas nos seres vivos.
• Ácidos nucleicos: DNA e RNA, que contêm informações genéticas.
• Lipídios: Gorduras e óleos, essenciais para armazenar energia e formar membranas celulares.

O que define um composto como orgânico é a presença de ligações carbono-carbono (CC) ou carbono-hidrogênio (CH), e sua estrutura pode ser muito simples, como o metano, ou extremamente complexa, como proteínas ou ácidos nucléicos.

É único na sua capacidade de formar cadeias longas e estruturas complexas devido aos quatro elétrons da segunda camada, chamados elétrons de valência, o que lhe permite ligar-se facilmente a outros átomos de carbono e a diferentes elementos, criando os compostos mais complexos.

O carbono é tão especial devido à sua capacidade única de formar ligações covalentes com até quatro átomos diferentes. Essas ligações são feitas pelo compartilhamento de um elétron com outro átomo, mas também podem ser ligadas por meio de uma ligação dupla (compartilhando dois elétrons) ou tripla (compartilhando três elétrons). Esta propriedade permite associar-se de maneiras muito complexas, criando estruturas longas e tridimensionais que outros elementos não conseguem formar.

Esta capacidade única de formar longas cadeias de átomos é conhecida como catenação de carbono e, graças a isso, o carbono forma compostos com características tão diferentes que parece impossível que sejam feitos do mesmo elemento. Esses materiais compostos exclusivamente de carbono, mas completamente diferentes uns dos outros, são conhecidos como estados alotrópicos do carbono.

O carbono tem vários estados alotrópicos:

Diamante e grafite: O diamante e a grafite têm exatamente o mesmo número de átomos, mas espacialmente possuem uma geometria diferente. Enquanto o diamante é o material mais duro que existe, de cor transparente e bom condutor de calor e isolante elétrico, o grafite é um material preto, opaco e muito macio que não conduz calor, mas conduz eletricidade. Opostos completos.

No diamante, cada átomo de carbono está ligado a outros quatro átomos em uma estrutura tridimensional extremamente rígida que o torna ideal para ferramentas de corte e joias, embora seja um mau condutor elétrico.

Na grafite, os átomos de carbono estão dispostos em camadas planas que podem deslizar umas sobre as outras, tornando-a lisa e escorregadia. A grafite é um bom condutor elétrico e é usada em lápis, lubrificantes e eletrodos.

Fulerenos: Moléculas formadas apenas por átomos de carbono que estão dispostos em estruturas esféricas, tubulares ou elipsoidais. Pela sua simetria, criam estruturas muito estáveis, resistentes e leves, com propriedades elétricas e térmicas únicas, por isso são utilizados para criar materiais avançados em nanomedicina, baterias elétricas e equipamentos de ressonância magnética. Existem tantos usos, tipos e aplicações de fulerenos que haverá um artigo próprio sobre eles na Science Driven mais tarde.

Carbyne: Carbyne é uma cadeia linear de átomos de carbono. Este material ainda está sendo estudado ativamente para melhor compreender suas propriedades e possíveis aplicações. É instável em condições normais, por isso ainda não é amplamente utilizado na prática real. É extremamente forte e rígido.

Grafeno: O grafeno é, sem dúvida, um dos materiais mais revolucionários da nossa época, muito popular nos últimos anos, pois é conhecido pelas suas propriedades quase mágicas. Este material, o mais fino e forte já descoberto, é composto por uma única camada bidimensional de átomos de carbono organizados numa estrutura hexagonal, mas o que torna o grafeno verdadeiramente extraordinário é a sua impressionante condutividade elétrica, superando até mesmo o cobre, e a sua incrível capacidade de condução térmica. Além disso, é 200 vezes mais resistente que o aço, sem perder flexibilidade, e é transparente e leve.

As aplicações do grafeno são infinitas, desde eletrônica e materiais avançados até armazenamento de energia e medicina. Este material não está apenas mudando o presente, mas promete redefinir o futuro da tecnologia. Vamos segui-lo com atenção.

Usos comuns do carbono:

• O carbono é um componente importante dos combustíveis fósseis, como carvão, petróleo e gás natural, que são fontes essenciais de energia.

• O carbono se manifesta em formas como o diamante, conhecido por sua extrema dureza, o que o torna ideal para ferramentas de corte, brocas e abrasivos.

• Lubrificantes

• Todos os tipos de plásticos como base para o petróleo.

• Em joias (diamantes polidos)

• O carvão ativado é utilizado para purificar a água e o ar (filtros de partículas), bem como na indústria farmacêutica para eliminar toxinas do corpo humano e medicamentos retrovirais para o HIV.

• Os diamantes sintéticos estão sendo investigados para uso em ferramentas médicas e terapias de raios-X.

• Lápis (grafite)

• Como uma liga para tornar os aços mais resistentes

• Painéis solares, sensores e baterias elétricas

• Sistemas de segurança de reatores nucleares

• Materiais ultraleves para aviação

• Nanomedicina, como nanotubos de carbono

Curiosidades:

• Todas as formas de vida conhecidas são baseadas em compostos de carbono. Os átomos de carbono formam a espinha dorsal de moléculas biológicas essenciais, como DNA, proteínas, carboidratos e lipídios.

• Nenhuma forma de carbono é radioativa, exceto o carbono-14, que é o único isótopo radioativo de carbono presente na natureza. O carbono-14 (6 prótons e 8 nêutrons) é produzido na atmosfera quando os raios cósmicos interagem com o nitrogênio-14, convertendo-o em carbono-14. Tem meia-vida de aproximadamente 5.730 anos e é usado para determinar a idade de restos orgânicos, como fósseis e artefatos arqueológicos, que têm até cerca de 50.000 anos.

• O ciclo do carbono é essencial para a vida na Terra. Inclui processos como fotossíntese, respiração e decomposição, que ajudam a manter o equilíbrio do dióxido de carbono na atmosfera.

• O carbono é um dos elementos mais abundantes no universo. Pode ser encontrada em cometas, meteoritos e na atmosfera de outros planetas e estrelas. Moléculas orgânicas, que contêm carbono, foram detectadas no espaço interestelar.

• O carbono é o quarto elemento mais abundante no universo em massa.

• O carbono-11 é essencial no funcionamento da tomografia por emissão de pósitrons (PET) e o carbono-13 para ressonância magnética nuclear, técnicas de diagnóstico por imagens médicas.

• Os diamantes podem ser criados artificialmente em laboratórios, embora o seu valor económico seja inferior ao dos naturais em joalharia, embora tenham múltiplas utilizações na indústria da construção e na inovação médica.

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