C · Elemento 6 · Não metal
A espinha dorsal de todos os seres vivos conhecidos e o formador de ligações mais versátil da tabela periódica.
Estrutura
Não é um diagrama de pontos em anéis — é uma amostra de Monte-Carlo da densidade de probabilidade real |ψ|² para cada subcamada ocupada. Arraste para rodar. O azul e o violeta indicam sinais opostos da função de onda, o que torna possível a ligação química.
Valores medidos
Cada barra mostra onde carbono se situa entre todos os 118 elementos para essa propriedade.
Fontes: massas atómicas padrão da IUPAC de 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Os valores marcados com ~ são previstos, e não medidos.
Tamanho, em escala
Raio de 70 pm — isso corresponde a 0,07 nm, portanto cerca de 7,14 milhões deles lado a lado cobririam um milímetro.
Faixa térmica
À pressão normal, carbono não apresenta estado líquido. Ele sublima a 3915 K, passando diretamente de sólido para vapor. O ponto de fusão de 4600 K é real, mas ocorre apenas acima de aproximadamente 10.8 MPa.
A história
O carbono é o maior transformista da tabela periódica e a base de toda a vida na Terra. Esse elemento incrível pode se transformar em diamantes brilhantes (o material natural mais duro), grafite escorregadio (usado em lápis) e até fulerenos exóticos que parecem bolas de futebol em nível molecular. Todo ser vivo — da menor bactéria à mais majestosa sequoia — é construído sobre uma estrutura de carbono. Seu DNA, suas proteínas, gorduras e carboidratos dependem da capacidade única do carbono de formar quatro ligações fortes, criando possibilidades moleculares infinitas. O carbono também está no centro das discussões sobre as mudanças climáticas, pois o dióxido de carbono em nossa atmosfera age como um cobertor, retendo calor e aquecendo o planeta. Das fogueiras pré-históricas aos modernos carros de corrida de fibra de carbono, esse elemento moldou a civilização humana.
O carbono não tem um único descobridor, pois os seres humanos usam várias formas de carbono desde os tempos pré-históricos. No entanto, compreender o carbono como um elemento químico distinto exigiu milênios de evolução científica e representa um dos avanços mais fundamentais da química.
Os primeiros seres humanos descobriram o poder do carbono por meio do fogo e do carvão vegetal. Evidências arqueológicas de locais como a Caverna de Qesem, em Israel, mostram o uso controlado do fogo há 400.000 anos. Nossos ancestrais aprenderam que queimar madeira com pouco oxigênio produzia carvão vegetal — carbono quase puro que queimava a temperaturas mais altas e por mais tempo que a madeira.
Esse conhecimento revolucionou a civilização humana:
Produção de aço (1500 a.C.): Metalurgistas hititas descobriram que adicionar carbono ao ferro criava aço — uma liga revolucionária que mudou para sempre a guerra e a agricultura. Inventores chineses aperfeiçoaram a produção de ferro fundido por volta de 500 a.C., usando o teor de carbono para controlar as propriedades do metal.
Conhecimento sobre diamantes (400 a.C.): Antigos indianos descobriram diamantes em cascalhos de rios e reconheceram sua dureza extraordinária. Textos em sânscrito chamavam os diamantes de "vajra" (raio), acreditando que eram formados por descargas elétricas.
Antoine Lavoisier (1772): O "pai da química moderna" provou que o diamante e o carvão vegetal eram formas diferentes do mesmo elemento. Seus experimentos de combustão mostraram que ambas as substâncias produziam quantidades idênticas de dióxido de carbono quando queimadas, revolucionando a compreensão dos elementos químicos.
Lavoisier escreveu: "Devemos concluir que o diamante nada mais é que carbono cristalizado." Essa descoberta unificou materiais aparentemente diferentes sob um único elemento e estabeleceu o conceito de alótropos.
Carl Wilhelm Scheele (1779): Descobriu independentemente que a grafita ("chumbo preto") também era carbono puro, e não chumbo, como se acreditava anteriormente. Seu trabalho ajudou a estabelecer o carbono como o elemento número 6.
Friedrich Kekulé (1858): Propôs que os átomos de carbono podiam formar cadeias e anéis, estabelecendo os fundamentos da química orgânica. A famosa estrutura do anel de benzeno (supostamente inspirada por um sonho com uma cobra mordendo a própria cauda) explicou os compostos aromáticos.
Jacobus van 't Hoff e Joseph Le Bel (1874): Propuseram independentemente o carbono tetraédrico, explicando por que os compostos de carbono podiam existir em formas que são imagens especulares umas das outras. Essa descoberta deu início à estereoquímica e explicou o comportamento dos medicamentos.
Percy Bridgman (1955): Primeira síntese artificial de diamante sob pressão extrema, provando que os diamantes podiam ser fabricados.
Richard Smalley, Robert Curl e Harold Kroto (1985): Descobriram os fulerenos (C₆₀), recebendo o Prêmio Nobel de 1996 e dando início à nanotecnologia.
Andre Geim e Konstantin Novoselov (2004): Isolaram o grafeno usando fita adesiva, recebendo o Prêmio Nobel de 2010 e inaugurando a era dos materiais bidimensionais.
A pesquisa sobre o carbono continua com descobertas como o carbyne (cadeias de carbono unidimensionais) e previsões de formas ainda mais exóticas. Cada descoberta revela novas possibilidades para este elemento tão versátil.
Aplicações
O carbono é a base da própria existência — o elemento que torna a vida possível e impulsiona a revolução tecnológica. Do DNA em nossas células aos materiais mais resistentes conhecidos pela ciência, a capacidade única do carbono de formar estruturas complexas o torna insubstituível em praticamente todos os aspectos da civilização moderna.
Diamante: O padrão máximo de dureza e condutividade térmica. Entre as aplicações industriais estão:
Grafeno: O material maravilhoso — uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal:
Nanotubos de carbono: Estruturas cilíndricas de carbono mais resistentes que o aço, mas mais leves que o alumínio:
O carbono transforma o ferro em aço — o material estrutural mais importante da humanidade:
Os compósitos de fibra de carbono combinam resistência incrível com peso mínimo:
Captura e armazenamento de carbono: Combate às mudanças climáticas por meio da inovação tecnológica:
Carvão ativado: O material universal de purificação:
De onde vem
2000 mg/kg da crosta terrestre · mais abundante do que 92% dos elementos
O carbono é o quarto elemento mais abundante do universo em massa, forjado nas fornalhas nucleares de estrelas massivas por meio do lendário processo triplo-alfa. Essa abundância cósmica faz do carbono a base da química complexa em todo o cosmos.
O carbono se forma no interior de estrelas gigantes quando três núcleos de hélio-4 (partículas alfa) se fundem em um processo descoberto por Fred Hoyle. Essa reação requer temperaturas acima de 100 milhões de Kelvin e era tão improvável que Hoyle previu a existência de um nível específico de energia do carbono-12 para torná-la possível - uma previsão posteriormente confirmada e agora chamada de "estado de Hoyle."
Quando estrelas massivas explodem como supernovas, elas espalham carbono por toda a galáxia, semeando o espaço com as matérias-primas da vida. Cada átomo de carbono do seu corpo foi forjado no núcleo de uma estrela e distribuído pela morte estelar - realmente nos tornando "poeira estelar."
A Terra contém aproximadamente 1.85 × 10¹⁸ toneladas de carbono distribuído por vários reservatórios:
Os diamantes se formam de 150 a 200 quilômetros abaixo da superfície da Terra, no manto, onde as pressões excedem 45.000 atmosferas e as temperaturas chegam a 1.200°C. Erupções vulcânicas chamadas de chaminés de kimberlito trazem diamantes à superfície em explosões violentas que viajam mais rápido que a velocidade do som.
Entre os locais famosos de extração de diamantes estão:
O ciclo do carbono troca continuamente carbono entre a atmosfera, os oceanos e a biosfera:
Os organismos vivos contêm cerca de 550 bilhões de toneladas de carbono:
O carbono existe em várias formas com propriedades dramaticamente diferentes:
Manuseio
O carbono puro, em suas formas comuns, é atóxico e biologicamente inerte, mas diferentes alótropos e compostos de carbono exigem considerações específicas de segurança. As principais preocupações envolvem a inalação de partículas e materiais de carbono especializados.
Negro de carbono e partículas finas: A inalação de partículas de carbono pode causar irritação respiratória. A exposição prolongada ao negro de carbono pode aumentar o risco de câncer de pulmão, de acordo com a classificação da IARC (grupo 2B — possivelmente cancerígeno).
Limites de exposição da OSHA:
Nanotubos de carbono: Pesquisas sugerem possíveis riscos à saúde semelhantes aos do amianto devido à sua estrutura fibrosa. Manuseie com extrema cautela:
Grafeno: Há dados limitados disponíveis sobre sua toxicidade. Estudos preliminares sugerem baixa toxicidade aguda, mas possibilidade de penetração celular. Use procedimentos padrão de segurança para nanomateriais.
Carvão ativado: Geralmente seguro, mas pode adsorver substâncias tóxicas do ar. Descarte o carbono usado como resíduo perigoso se estiver contaminado.
Ferramentas de diamante: Não apresentam toxicidade inerente, mas a usinagem pode criar partículas respiráveis. Use sistemas apropriados de coleta de poeira.
Fibra de carbono: Irritante para a pele e o sistema respiratório devido aos filamentos finos. Pode conduzir eletricidade — evite o contato com sistemas elétricos.
Perigo de explosão de poeira: Pós finos de carbono podem formar misturas explosivas com o ar. A energia mínima de ignição é muito baixa para alguns pós de carbono.
Medidas de prevenção:
Carvão vegetal e produtos para churrasco: Seguros quando usados conforme a finalidade, mas:
Grafite de lápis: Atóxico se ingerido em pequenas quantidades (apesar do nome "lápis de chumbo")
Suplementos de carbono: O carvão ativado pode interferir nos medicamentos — consulte profissionais de saúde
Respostas rápidas
Carbono (símbolo C) é o elemento 6 da tabela periódica, um não metal do período 2, grupo 14. A espinha dorsal de todos os seres vivos conhecidos e o formador de ligações mais versátil da tabela periódica. À temperatura ambiente, é um sólido.
[He] 2s² 2p², resultando em 2 camadas ocupadas com a distribuição 2, 4. Sua camada externa contém 4 eletrões, o que determina seu comportamento nas ligações.À pressão normal, Carbono não derrete — sublima, passando diretamente do estado sólido para o vapor a cerca de 3915 K (3641.9 °C). Um estado líquido só existe acima de aproximadamente 10.8 MPa, onde derrete perto de 4600 K. É por isso que um único "ponto de fusão" para Carbono é enganoso sem uma pressão especificada.
A massa atómica padrão de Carbono é 12.011 u. Trata-se de uma média ponderada dos seus isótopos que ocorrem naturalmente, por isso raramente é um número inteiro.
Carbono tem densidade de 2.267 g/cm³. A água tem 1.0 g/cm³, portanto um bloco de Carbono é aproximadamente 2.3× mais pesado.
Carbono tem eletronegatividade de Pauling igual a 2.55. A escala vai de 0,70 (frâncio, o menos ávido por eletrões) a 3,98 (flúor, o mais ávido). Valores nessa faixa intermediária tendem a formar ligações covalentes, em vez de ligações fortemente iónicas.
Carbono é conhecido desde a Antiguidade — ocorre em uma forma utilizável sem fundição, portanto nenhuma pessoa pode ser creditada por sua descoberta. O nome vem de latim carbo, "carvão".
Carbono constitui sobre 0.2% da crosta terrestre — é comum o suficiente para ser extraído em grande escala.