O carbono é um elemento incrível.

Organize os átomos de carbono de uma certa maneira e eles se tornam grafite macio e flexível. Refaça o arranjo e - pronto! - os átomos formam o diamante, um dos materiais mais duros do mundo.

Carbono. Crédito da imagem: Shutterstock

O carbono também é o ingrediente chave para a maior parte da vida na Terra; o pigmento que fez as primeiras tatuagens; e a base para maravilhas tecnológicas como o grafeno, que é um material mais resistente do que o aço e mais flexível do que a borracha. [Ver Tabela Periódica dos Elementos]

O carbono ocorre naturalmente como carbono-12, que constitui quase 99% do carbono do universo; carbono-13, que representa cerca de 1 por cento; e carbono-14, que constitui uma quantidade minúscula do carbono total, mas é muito importante na datação de objetos orgânicos. 

Apenas os fatos

• Número atômico (número de prótons no núcleo): 6
• Símbolo atômico (na Tabela Periódica dos Elementos): C
• Peso atômico (massa média do átomo): 12,0107
• Densidade: 2,2670 gramas por centímetro cúbico
• Fase à temperatura ambiente: Sólido
• Ponto de fusão: 6.422 graus Fahrenheit (3.550 graus C)
• Ponto de ebulição: 6.872 F (3.800 C) (sublimação)
• Número de isótopos: 15 no total; dois isótopos estáveis, que são átomos do mesmo elemento com um número diferente de nêutrons.
• Isótopos mais comuns: carbono-12 (6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons) e carbono-13 (6 prótons, 7 nêutrons e 6 elétrons)

Carbono: das estrelas para a vida

Como o sexto elemento mais abundante no universo, o carbono se forma no interior das estrelas em uma reação chamada processo triplo-alfa, de acordo com o Swinburne Center for Astrophysics and Supercomputing.

Em estrelas mais velhas que queimaram a maior parte de seu hidrogênio, o hélio restante se acumula. Cada núcleo de hélio tem dois prótons e dois nêutrons. Sob temperaturas muito altas, maiores que 100.000.000 Kelvin (179.999.540,6 F) - os núcleos de hélio começam a se fundir, primeiro como pares em núcleos de berílio de 4 prótons instáveis e, eventualmente, conforme núcleos de berílio suficientes piscam para a existência, em um berílio mais um hélio. O resultado final: átomos com seis prótons e seis nêutrons - carbono.

Embora os cientistas às vezes conceituem elétrons girando em torno do núcleo de um átomo em uma camada definida, eles na verdade voam ao redor do núcleo a várias distâncias; esta visão do átomo de carbono pode ser vista aqui em duas figuras de nuvem de elétrons (parte inferior), mostrando os elétrons em uma única bolha (o chamado orbital s) e em uma bolha ou nuvem de dois lóbulos (o orbital p) .Crédito da imagem: Physical Review B, DOI: 10.1103 / PhysRevB.80.165404

O Carbono é um criador de padrões. Ele pode se ligar a si mesmo, formando cadeias longas e resilientes chamadas polímeros. Ele também pode se ligar a até quatro outros átomos por causa de seu arranjo de elétrons. Os átomos são organizados como um núcleo rodeado por uma nuvem de elétrons, com elétrons girando em diferentes distâncias do núcleo. Os químicos concebem essas distâncias como camadas e definem as propriedades dos átomos pelo que está em cada camada, de acordo com a Universidade da Califórnia, Davis. O carbono tem duas camadas de elétrons, com a primeira contendo dois elétrons e a segunda contendo quatro dos oito espaços possíveis. Quando os átomos se ligam, eles compartilham elétrons em sua camada mais externa. O carbono tem quatro espaços vazios em sua camada externa, permitindo que ele se ligue a outros quatro átomos. (Ele também pode se ligar de forma estável com menos átomos, formando ligações duplas e triplas.)

Em outras palavras, o carbono tem opções. E os usa: quase 10 milhões de compostos de carbono foram descobertos, e os cientistas estimam que o carbono é a pedra angular de 95% dos compostos conhecidos, de acordo com o site Chemistry Explained. A incrível capacidade do carbono de se ligar a muitos outros elementos é um dos principais motivos de sua importância para quase todas as formas de vida.

A descoberta do Carbono está perdida na história. O elemento era conhecido pelos humanos pré-históricos na forma de carvão. O carbono como carvão ainda é uma importante fonte de combustível em todo o mundo, fornecendo cerca de 30 por cento da energia mundial, de acordo com a Associação Mundial do Carvão. O carvão também é um componente-chave na produção de aço, enquanto a grafite, outra forma de carbono, é um lubrificante industrial comum.

O Carbon-14 é um isótopo radioativo de carbono usado por arqueólogos para datar objetos e restos mortais. O carbono-14 ocorre naturalmente na atmosfera. As plantas o absorvem na respiração, na qual convertem os açúcares produzidos durante a fotossíntese em energia que usam para crescer e manter outros processos, de acordo com Colorado State University. Os animais incorporam carbono-14 em seus corpos comendo plantas ou outros animais comedores de plantas. O carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos, o que significa que, após esse tempo, metade do carbono-14 em uma amostra se desintegra, de acordo com a Universidade do Arizona.

Como os organismos param de absorver o carbono 14 após a morte, os cientistas podem usar a meia-vida do carbono 14 como uma espécie de relógio para medir quanto tempo se passou desde que o organismo morreu. Este método funciona em organismos que já foram vivos, incluindo objetos feitos de madeira ou outro material vegetal.

Você sabia?

1. O nome de carbono deriva da palavra latina carbo, que significa "carvão".
2. Diamantes e grafite estão entre os materiais naturais mais duros e macios conhecidos, respectivamente. A única diferença entre os dois é sua estrutura cristalina.
3. O carbono constitui 0,032% da litosfera terrestre (crosta e manto externo) em peso, de acordo com a Enciclopédia da Terra. Uma estimativa aproximada do peso da litosfera pelo geólogo David Smith da La Salle University é 300.000.000.000.000.000.000.000.000 (ou 3*10²³) libras, tornando o peso aproximado do carbono na litosfera 10.560.000.000.000.000.000.000 (ou 1.056 * 10²²) libras.
4. O dióxido de carbono (um átomo de carbono mais dois átomos de oxigênio) compõe cerca de 0,04% da atmosfera da Terra, de acordo com a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA) - um aumento em relação aos tempos pré-industriais, devido à queima de combustíveis fósseis.
5. O monóxido de carbono (um átomo de carbono mais um átomo de oxigênio) é um gás inodoro produzido a partir da queima de combustíveis fósseis. O monóxido de carbono mata ligando-se à hemoglobina, o composto que transporta o oxigênio no sangue. O monóxido de carbono se liga à hemoglobina 210 vezes mais fortemente do que o oxigênio se liga à hemoglobina, eliminando o oxigênio e sufocando os tecidos, de acordo com um artigo de 2001 no Journal of the Royal Society of Medicine.
6. O diamante, a versão mais brilhante do carbono, é formado sob grande pressão nas profundezas da crosta terrestre. O maior diamante com qualidade de joia já encontrado foi o diamante Cullinan, que foi descoberto em 1905, de acordo com o Royal Collection Trust. O diamante bruto tinha 3.106,75 quilates. A maior joia cortada da pedra, com 530,2 quilates, é uma das joias da coroa do Reino Unido e é conhecida como a Grande Estrela da África.
7. As tatuagens de Ötzi, o Homem de Gelo, um cadáver de 5.300 anos encontrado congelado nos Alpes, foram feitas de carbono, de acordo com um estudo de 2009 no Journal of Archaeological Science. Foram feitas pequenas incisões na pele e esfregado carvão, talvez como parte de um tratamento de acupuntura.

Pesquisa em andamento

O carbono é um elemento estudado há muito tempo, mas isso não significa que não haja mais para descobrir. Na verdade, o mesmo elemento que nossos ancestrais pré-históricos queimaram como carvão pode ser a chave para os materiais de tecnologia da próxima geração.

Em 1985, Rick Smalley e Robert Curl, da Rice University, no Texas, e seus colegas descobriram uma nova forma de carbono. Ao vaporizar o grafite com lasers, os cientistas criaram uma nova molécula misteriosa feita de carbono puro, de acordo com a American Chemical Society. Essa molécula era uma esfera em forma de bola de futebol feita de 60 átomos de carbono. A equipe de pesquisa chamou sua descoberta de buckminsterfullerene (Buckminsterfulereno é uma molécula de fulereno) em homenagem a um arquiteto que projetou cúpulas geodésicas. A molécula agora é mais comumente conhecida como "buckyball". Os pesquisadores que a descobriram ganharam um Prêmio Nobel de Química em 1996. Descobriu-se que Buckyballs inibem a propagação do HIV, de acordo com um estudo publicado em 2009 no Journal of Chemical Information and Modeling; pesquisadores médicos estão trabalhando para anexar drogas, molécula a molécula, aos buckyballs, a fim de distribuí-las diretamente nos locais de infecção ou tumores no corpo; isso inclui pesquisas da Columbia University, Rice University e outras.  

Desde então, outras novas moléculas de carbono puro, chamadas fulerenos, foram descobertas, incluindo "buckyeggs" de formato elíptico e nanotubos de carbono com incríveis propriedades condutoras. A química do carbono ainda é quente o suficiente para receber o Prêmio Nobel: em 2010, pesquisadores do Japão e dos Estados Unidos ganharam um por descobrir como ligar átomos de carbono usando átomos de paládio, um método que permite a fabricação de moléculas de carbono grandes e complexas, de acordo com a Fundação Nobel.

Cientistas e engenheiros estão trabalhando com esses nanomateriais de carbono para construir materiais saídos da ficção científica. Um artigo de 2010 na revista Nano Letters relata a invenção de têxteis flexíveis e condutores imersos em uma "tinta" de nanotubo de carbono que poderia ser usada para armazenar energia, talvez abrindo caminho para baterias vestíveis, células solares e outros eletrônicos.

Talvez uma das áreas mais quentes na pesquisa de carbono hoje, no entanto, envolve o grafeno "material milagroso". O grafeno é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. É o material mais forte conhecido, embora seja ultraleve e flexível. E conduz eletricidade melhor do que cobre.

A produção em massa de grafeno é um desafio, embora pesquisadores em abril de 2014 tenham relatado que poderiam fazer grandes quantidades usando nada além de um liquidificador de cozinha. Se os cientistas conseguirem descobrir como fazer muito grafeno facilmente, o material pode se tornar enorme em tecnologia. Imagine dispositivos flexíveis e inquebráveis que também são finos como papel. O carbono percorreu um longo caminho desde o carvão e os diamantes, de fato.  

Nanotubos de carbono

Um nanotubo de carbono (CNT) é uma estrutura minúscula, semelhante a um canudo, feita de átomos de carbono. Esses tubos são extremamente úteis em uma ampla variedade de tecnologias eletrônicas, magnéticas e mecânicas. Os diâmetros desses tubos são tão pequenos que são medidos em nanômetros. Um nanômetro é um bilionésimo de um metro - cerca de 10.000 vezes menor que um fio de cabelo humano.

Os nanotubos de carbono são pelo menos 100 vezes mais fortes do que o aço, apenas um sexto mais pesados, então eles podem adicionar resistência a quase qualquer material, de acordo com a nanoScience Instruments. Eles também são melhores do que o cobre na condução de eletricidade e calor.

A nanotecnologia está sendo aplicada na busca de transformar água do mar em água potável. Em um novo estudo, os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) desenvolveram um processo de nanotubo de carbono que pode retirar o sal da água do mar com muito mais eficiência do que as tecnologias tradicionais. 

Por exemplo, os processos tradicionais de dessalinização bombeiam a água do mar sob alta pressão, enviando-a através de membranas de osmose reversa. Essas membranas então rejeitam todas as partículas grandes, incluindo sais, permitindo que apenas água limpa passe. No entanto, essas usinas de dessalinização são muito caras e só podem processar cerca de 10 por cento das necessidades de água de um município, de acordo com o LLNL.

No estudo do nanotubo, os cientistas imitaram a forma como as membranas biológicas são estruturadas: essencialmente uma matriz com poros dentro da membrana. Eles usaram nanotubos que eram particularmente pequenos - mais de 50.000 vezes mais finos do que um fio de cabelo humano. Esses minúsculos nanotubos permitem um fluxo muito alto de água, mas são tão estreitos que apenas uma molécula de água pode passar pelo tubo por vez. E o mais importante, os íons de sal são muito grandes para caber no tubo.

Os pesquisadores acreditam que a nova descoberta tem implicações importantes para a próxima geração de processos de purificação de água e tecnologias de membrana de alto fluxo.

Reportagem adicional de Traci Pedersen.

Recursos adicionais:

• Jefferson Lab: o elemento carbono
• NASA Earth Observatory: The Carbon Cycle
• Smithsonian Institution: All About Carbon and Diamonds

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Referência: 

PAPPAS, Stephanie. Facts About Carbon. Live Science, 29, set. 2017. Disponível em: <https://www.livescience.com/28698-facts-about-carbon.html>. Acesso em: 05, ago. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.