Propriedades do carbono: Uma visão geral abrangente

No mundo dos elementos, o carbono é único e deslumbrante. Desde as moléculas orgânicas, a base da vida, até os principais materiais para a indústria, ele está em toda parte. A exploração das propriedades do carbono nos dá uma visão da interseção da natureza e da tecnologia, da composição da matéria e das reações químicas.

Propriedades físicas do carbono

Visão geral dos alótropos

O carbono pode formar uma variedade de alótropos, como diamante, grafite etc. Embora sejam compostos por átomos de carbono, o arranjo atômico e os modos de conexão são diferentes. As propriedades físicas e químicas são significativamente diferentes, e o valor da pesquisa de aplicação é alto em materiais, eletrônica e outros campos.

Características do diamante

O diamante é a substância mais dura da natureza, com uma dureza Mohs de 10. Seus átomos têm estrutura tetraédrica, forte força de ligação atômica, resistência ao desgaste e resistência à pressão, usados para perfuração de corte. É incolor e transparente, com forte refração, é uma gema. Alta condutividade térmica, pode ser usado para dissipação de calor eletrônico, mas é pouco condutivo.

Propriedades do grafite

A textura do grafite é macia e suave. Ela vem da estrutura em camadas e é fácil de deslizar entre elas. Muitas vezes, o grafite pode ser usado como lubrificante sob alta temperatura e alta pressão. Ele tem boa condutividade elétrica, com elétrons livres na camada. E é possível usar o grafite em baterias de íons de lítio ânodo materiais e motor escovas para garantir a carga e descarga e a transmissão de corrente.

Outras características do alótropo

Os fulerenos, como o C60, são encapsulados, opticamente ativos, podem formar complexos com íons metálicos e têm potencial para dispositivos optoeletrônicos e catálise. Os nanotubos de carbono têm diâmetro nanométrico, alta resistência, boa condutividade elétrica e térmica. E podem ser usados no campo da nanoeletrônica e de materiais compostos. O grafeno é um material bidimensional de camada única com excelentes propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. E tem amplas perspectivas em dispositivos eletrônicos flexíveis.

Resumo das propriedades físicas gerais

Aparência

O diamante é incolor e transparente, brilhante após o polimento, e é um material de gema. Grafite cinza escuro com brilho metálico, escamoso e de toque suave. Os fulerenos são pó preto ou marrom, os nanotubos de carbono são tubos pretos extremamente finos. E o grafeno é uma folha bidimensional quase transparente com uma textura enrugada distinta.

Densidade

Diamante: cerca de 3,5-3,53g/cm3, átomos bem compactados; grafite: cerca de 2,09-2,23g/cm3, há um espaço entre as camadas. Os fulerenos têm cerca de 1,65g/cm3, os nanotubos de carbono têm 1,3-1,4g/cm3 e o grafeno tem cerca de 2,267g/cm3, com densidades que variam dependendo do arranjo atômico e da estrutura.

Ponto de fusão

O ponto de fusão do diamante é superior a 3500°C, e os átomos formam tetraedros regulares com ligações covalentes, e a estrutura é sólida. O ponto de fusão do grafite é de aproximadamente 3652-3697°C, e a ligação covalente na camada é estável. O alto ponto de fusão torna o carbono estável em ambientes de alta temperatura e é usado em campos industriais de alta temperatura.

Ponto de ebulição

O ponto de ebulição do diamante e do grafite é de aproximadamente 4827°C, em condições normais. O carbono é difícil de mudar de sólido para gasoso, sendo necessária uma temperatura extremamente alta para mudar o estado. No ambiente industrial e doméstico, as propriedades físicas e químicas do carbono são estáveis, não sendo fácil a decomposição por volatilização.

Solubilidade

O carbono é insolúvel em água, solventes orgânicos comuns e soluções ácidas e alcalinas. Devido à sua estrutura atômica estável e à forte força interatômica, a molécula do solvente é difícil de romper a estrutura elementar do carbono e sua ação. E a solubilidade é extremamente baixa na maioria dos solventes.

Condutividade

A estrutura da camada de grafite tem elétrons livres, conduz bem a eletricidade e pode ser usada para eletrodos. Os elétrons do diamante estão ligados a ligações covalentes e dificilmente conduzem eletricidade. Os fulerenos e os nanotubos de carbono têm certa condutividade elétrica, o grafeno tem alta mobilidade de elétrons, excelente condutividade elétrica e grande potencial no campo eletrônico.

Propriedades químicas do carbono

Estabilidade

À temperatura ambiente, as propriedades químicas da carbonização são estáveis. Os quatro elétrons na camada mais externa de seu átomo não são fáceis de ganhar ou perder elétrons. É necessária uma grande quantidade de energia para quebrar a estrutura estável e participar de reações químicas. Portanto, as relíquias culturais, pinturas e quadros que contêm carbono podem ser preservados por muito tempo.

Inflamabilidade

Ele é inflamável e queima completamente para produzir dióxido de carbono quando o oxigênio é suficiente, liberando muita energia térmica. O monóxido de carbono é produzido pela combustão incompleta quando o oxigênio é insuficiente, e a reação de combustão é uma forma importante de obter energia.

Redutibilidade

Possui redutibilidade significativa em altas temperaturas. Ele pode reagir com óxidos metálicos, capturar o oxigênio nos óxidos e reduzir o metal. Pode ser amplamente utilizado na extração de metais na indústria metalúrgica e desempenha um papel fundamental.

Reações com outras substâncias

Reage com uma variedade de substâncias sob certas condições. Em altas temperaturas, reage com o enxofre para produzir dissulfeto de carbono, reage com o vapor de água para produzir monóxido de carbono e hidrogênio. E os produtos têm aplicações importantes nos campos químico e de combustível.

Quadrivalência

Os quatro elétrons mais externos de um átomo de carbono quaternário estão em um estado quaternário. Ele pode formar 4 ligações covalentes com uma variedade de átomos para criar compostos complexos e diversos, desde a matéria orgânica simples até as macromoléculas biológicas. Ele é a base do mundo orgânico e da matéria viva, e é de grande importância.

Encadeamento

Seus átomos podem ser ligados a cadeias por meio de ligações covalentes, ou seja, encadeamento. Pode formar uma cadeia reta, uma cadeia ramificada ou uma estrutura em anel; o comprimento e a estrutura da cadeia afetam as propriedades dos compostos. É a base da formação de muitos compostos orgânicos, apoiando o enorme sistema de química orgânica.

Estrutura eletrônica

A configuração eletrônica de um átomo de carbono é 1s22s22p2. Essa estrutura determina seu comportamento químico, e os quatro elétrons mais externos facilitam o compartilhamento de elétrons com outros átomos para formar ligações. Mas também para ganhar e perder elétrons sob certas condições e participar de várias reações químicas.

Eletronegatividade

Ele tem uma eletronegatividade de cerca de 2,55 (na escala Pauling), entre metais e não metais. Em um composto, ao se ligar a elementos diferentes, a ligação química tem polaridade diferente devido à diferença de eletronegatividade. Isso afeta a atividade química e as propriedades físicas do composto.

Conexão entre propriedade e aplicativo

Aplicações determinadas por propriedades físicas

Suas propriedades físicas são diversas, o que o torna rico em aplicações. A dureza do diamante é chamada de coroa da natureza e tem vantagens significativas no campo de corte e retificação. Por exemplo, no corte de vidro e no processamento de carbeto cimentado. O grafite tem boa condutividade elétrica e pode ser amplamente utilizado em eletrodos de bateria para garantir o ciclo de carga e descarga. O grafeno tem excelente condutividade elétrica e flexibilidade ultra-alta, o que o torna um material ideal para telas de exibição flexíveis e dispositivos eletrônicos vestíveis. A alta resistência dos nanotubos de carbono pode melhorar o desempenho de materiais compostos. E você pode usá-lo em áreas como a aeroespacial, em que a resistência dos materiais é exigente.

Aplicações determinadas por propriedades químicas

Suas propriedades químicas dominam sua aplicação em várias áreas importantes. A inflamabilidade faz com que o carvão e o gás natural se tornem importantes fontes de energia. A queima libera uma grande quantidade de energia térmica para atender às necessidades energéticas da produção industrial e da vida cotidiana. A redutibilidade faz com que ele desempenhe um papel fundamental no setor metalúrgico, reduzindo os metais a partir de seus óxidos. A quadrivalência e a capacidade de cadeia de átomos de carbono são a base para a construção de compostos orgânicos. E a síntese de medicamentos, plásticos, borracha, etc., depende disso, fornecendo uma grande variedade de produtos para a sociedade moderna.

Conclusão

O carbono desempenha um papel importante na natureza e na sociedade humana em virtude de suas propriedades exclusivas. Suas propriedades alotrópicas determinam uma ampla gama de aplicações, e suas propriedades químicas sustentam a vida e a indústria. No futuro, sua pesquisa será aprofundada e continuará a ajudar a resolver problemas como o da energia.