Por que o carbono tem um alto ponto de fusão?

No campo da química e da ciência dos materiais, o carbono tem atraído muita atenção devido às suas propriedades exclusivas e à sua presença generalizada. Seu ponto de fusão extremamente alto lhe confere estabilidade em ambientes extremos. Além disso, ele desempenha um papel fundamental na pirometalurgia e na fabricação de materiais refratários e superduros.

Estrutura do carbono

O carbono tem uma variedade de alótropos na natureza, como o diamante, grafite e fulereno. Devido à disposição diferente dos átomos, as propriedades físicas e químicas variam muito.

O diamante é um cristal atômico, com átomos de carbono em ligações covalentes para construir uma estrutura de rede tridimensional. Cada átomo de carbono e os quatro átomos de carbono circundantes estão conectados para formar um tetraedro regular, e a estrutura geral é estável.

O grafite é disposto em camadas, os átomos de carbono na camada formam uma rede hexagonal com ligações covalentes, e as ligações covalentes são fortes. A camada é influenciada por uma força fraca de van der Waals. Isso faz com que o grafite tenha boa condutividade e lubricidade na direção paralela da camada e tenha certa estabilidade.

Representado por C60O fulereno tinha formato de bola de futebol e era composto por 60 átomos de carbono em forma de bola. Cada átomo de carbono era conectado a três átomos de carbono vizinhos por meio de ligação covalente. Com base na ligação covalente, o fulereno tinha certa estabilidade.

Razões para o alto ponto de fusão do carbono

Ligação covalente

O alto ponto de fusão do carbono se deve principalmente à sua forte ligação covalente entre os átomos. No diamante, cada átomo de carbono forma uma forte ligação covalente com os quatro átomos de carbono ao redor. As ligações covalentes são as ligações formadas pelo compartilhamento de elétrons entre os átomos, que são essencialmente a forte atração do núcleo pelo par de elétrons compartilhados. Na estrutura do diamante, essa ligação covalente pode ser muito alta. E para quebrar essas ligações covalentes e separar os átomos de carbono, é necessária muita energia.

Tomemos como exemplo o diamante, cuja ligação C-C tem uma ligação de cerca de 347 kj/mol. Quando aquecido, a energia fornecida pelo mundo externo deve ser suficiente para superar a ligação dessas ligações covalentes. Para mudar a posição relativa do átomo de carbono e, assim, transformar-se de sólido em líquido. Por outro lado, algumas moléculas de matéria, como o gelo, interagem com a força de van der Waals por meio de ligações de hidrogênio mais fracas e um ponto de fusão de 0. Quando o gelo derrete, ele só precisa destruir essas forças fracas entre as moléculas. Sem destruir as ligações covalentes dentro das moléculas de água, ele requer menos energia.

No grafite, embora haja uma fraca força de van der Waals entre as camadas, os átomos de carbono em cada camada formam uma rede plana estável por meio de ligações covalentes. Os átomos de carbono em cada camada formam uma rede plana estável por meio de ligações covalentes. A ligação covalente nessa camada também tem alta energia de ligação. Assim, quando o grafite é aquecido, a estrutura da camada pode ser mantida relativamente estável. E é necessária uma temperatura mais alta para que toda a estrutura mude significativamente.

Os átomos de carbono estão bem compactados

Além da ação das ligações covalentes, o acúmulo apertado de átomos na estrutura cristalina do carbono também desempenha um papel importante em seu alto ponto de fusão. Na malha tridimensional do diamante, os átomos de carbono estão dispostos de forma altamente ordenada e compacta. Esse acúmulo estreito torna a distância entre os átomos muito pequena, e a interação entre eles aumenta ainda mais.

De acordo com a teoria da estrutura cristalina, o acúmulo denso de átomos pode melhorar a densidade e a estabilidade dos cristais. Nos diamantes, a energia da rede é maior devido ao acúmulo compacto de átomos. A energia da rede refere-se à energia absorvida pelo cristal iônico em íons positivos gasosos e íons negativos gasosos sob condições padrão. Para cristais atômicos, é possível compará-la à energia necessária para quebrar a estrutura do cristal. Quanto maior a energia da rede, mais estável é o cristal e mais alto é o ponto de fusão.

Embora haja um certo espaço entre as camadas de grafite, os átomos de carbono em cada camada também estão bem organizados. Esse acúmulo apertado na camada também ajuda a melhorar a estabilidade e o ponto de fusão do grafite. Em cada camada de grafite, a estrutura de malha hexagonal formada por átomos de carbono faz com que a interação entre os átomos atinja um estado de equilíbrio. Isso requer alta energia para romper esse equilíbrio.

Comparação do ponto de fusão do carbono com o de outros elementos

Em comparação com outros elementos, o ponto de fusão do carbono tem vantagens significativas em relação aos elementos comuns.

Tomando o ferro como exemplo, seu ponto de fusão é de cerca de 1538 °C, é um cristal metálico, ligado por ligações metálicas. E a interação entre os cátions metálicos e os elétrons livres é superada quando ele derrete.

E o enxofre geralmente existe em S8 moléculas, cristais moleculares. É por força fraca de van der Waals entre as moléculas que o ponto de fusão é de apenas 115,21°C.

O carbono, seja ele diamante ou alótropo equivalente ao grafite, devido à ligação covalente interatômica e à estrutura de empacotamento fechado, o ponto de fusão é muito maior do que o de muitos elementos comuns. O ponto de fusão do carbono é de cerca de 3550 °C (3824K), é extremamente estável em altas temperaturas e se tornou um material essencial em aplicações especiais.

Aplicação prática do alto ponto de fusão do carbono

Materiais refratários:

O carbono pode ser amplamente utilizado na fabricação de materiais refratários devido ao seu alto ponto de fusão. No setor metalúrgico, o revestimento do forno de alta temperatura precisa ser resistente a altas temperaturas e à erosão. Os materiais compostos que contêm grafite e carbono podem resistir a ambientes adversos, proteger o corpo do forno e prolongar a vida útil do forno. Por exemplo, o cadinho de grafite pode suportar a fusão de aço fundido em alta temperatura na fabricação de aço.

Materiais superduros:

O diamante, como um alótropo do carbono, tornou-se a primeira opção para a fabricação de materiais superduros devido à sua alta dureza e alto ponto de fusão. É possível usar ferramentas de diamante em maquinário, processamento de pedras e outros campos. Ao cortar em alta velocidade, o alto ponto de fusão o torna estável sob alta temperatura e alta pressão. Melhorando a precisão e a eficiência do processamento. Você também pode usar diamantes sintéticos para fabricar ferramentas de perfuração para exploração de petróleo e exploração geológica.

Dispositivos eletrônicos:

No campo dos dispositivos eletrônicos, o alto ponto de fusão do carbono desempenha um papel importante. Semicondutores A fabricação de metais de alto desempenho requer um ambiente de alta temperatura para o crescimento de cristais, dopagem e outros processos. Devido ao seu alto ponto de fusão, boa condutividade elétrica e estabilidade química, ele pode ser usado para fabricar elementos de aquecimento, cadinhos e outros componentes. Para garantir o controle preciso do processo de fabricação de semicondutores e a produção de alta qualidade.

Conclusão

O alto ponto de fusão do carbono se deve à sua estrutura exclusiva, as ligações covalentes entre os átomos são fortes e bem compactadas, e a fusão requer muita energia. Em comparação com outros elementos, essa propriedade o torna vantajoso em muitos campos. E também ajudará a desenvolver mais materiais de alto desempenho à base de carbono no futuro.