O Carbono é não metálico e tetravalente, disponibilizando quatro elétrons para formar ligações químicas covalentes. O Carbono é um dos poucos elementos conhecidos desde a antiguidade.
O principal uso econômico do carbono, além de alimentos e madeira, está na forma de hidrocarbonetos, principalmente o gás metano de combustível fóssil e o petróleo bruto (petróleo). Grafite e diamantes são dois importantes alótropos de carbono que têm amplas aplicações. Os usos do carbono e seus compostos são extremamente variados.
Grafite, diamante e outras formas de carbono são obtidos diretamente das minas.
Prótons e nêutrons no Carbono
O Carbono é um elemento químico com número atômico 6, o que significa que existem 6 prótons em seu núcleo. O número total de prótons no núcleo é chamado de número atômico do átomo e recebe o símbolo Z. A carga elétrica total do núcleo é, portanto, +Ze, onde e (carga elementar) é igual a 1,602 x 10-19 coulombs.
O número total de nêutrons no núcleo de um átomo é chamado de número de nêutrons do átomo e recebe o símbolo N. O número de nêutrons mais o número atômico é igual ao número de massa atômica: N+Z=A. A diferença entre o número de nêutrons e o número atômico é conhecida como excesso de nêutrons: D = N – Z = A – 2Z.
Para elementos estáveis, geralmente há uma variedade de isótopos estáveis. Isótopos são nuclídeos que possuem o mesmo número atômico e, portanto, são o mesmo elemento, mas diferem no número de nêutrons. Os números de massa dos isótopos típicos do Carbono são 12; 13.
Principais isótopos de Carbono
O Carbono possui 15 isótopos conhecidos, de 8C a 22C, dos quais 12C e 13C são estáveis. O radioisótopo de vida mais longa é o 14C, com meia-vida de 5,730 anos.
O Carbono-12 é o mais abundante dos dois isótopos estáveis do Carbono (sendo o carbono-13 o outro), totalizando 98,93% do elemento carbono. O Carbono-12 é de particular importância em seu uso como padrão a partir do qual as massas atômicas de todos os nuclídeos são medidas, portanto, sua massa atômica é exatamente 12 daltons por definição. O Carbono-12 é composto por 6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons.
O Carbono-13 é um isótopo natural e estável do Carbono com um núcleo contendo seis prótons e sete nêutrons. Como um dos isótopos ambientais, representa cerca de 1,1% de todo o carbono natural da Terra.
O único radionuclídeo cosmogênico a contribuir significativamente para a exposição interna do ser humano é o Carbono-14. O Carbono-14 radioativo tem uma meia-vida de 5,730 anos e sofre decaimento β-, onde o nêutron é convertido em um próton, um elétron e um antineutrino de elétron. O carbono-14 também pode ser produzido na atmosfera por outras reações de nêutrons, incluindo em particular 13C(n,γ)14C e 17O(n,α)14C. Como resultado, o carbono-14 é continuamente formado na atmosfera superior pela interação dos raios cósmicos com o nitrogênio atmosférico. Em média, apenas um em cada 1,3 x 1012 átomos de carbono na atmosfera é um átomo de carbono-14 radioativo. Como resultado, todas as substâncias biológicas vivas contêm a mesma quantidade de C-14 por grama de carbono, ou seja, 0,3 Bq de atividade de carbono-14 por grama de carbono.
Isótopos Instáveis Típicos
Elétrons e configuração eletrônica
O número de elétrons em um átomo eletricamente neutro é o mesmo que o número de prótons no núcleo. Portanto, o número de elétrons no átomo neutro de Carbono é 6. Cada elétron é influenciado pelos campos elétricos produzidos pela carga nuclear positiva e os outros (Z – 1) elétrons negativos no átomo.
Como o número de elétrons e seu arranjo são responsáveis pelo comportamento químico dos átomos, o número atômico identifica os vários elementos químicos. A configuração desses elétrons segue os princípios da mecânica quântica. O número de elétrons nas camadas de elétrons de cada elemento, particularmente na camada de valência mais externa, é o fator primário na determinação de seu comportamento de ligação química. Na tabela periódica, os elementos são listados em ordem crescente de número atômico Z.
A configuração eletrônica do Carbono é [He] 2s2 2p2.
Os possíveis estados de oxidação são -4; -3…; +4.
Sabe-se que o carbono forma quase dez milhões de compostos, a grande maioria de todos os compostos químicos. É um elemento tetravalente típico — disponibilizando quatro elétrons para formar ligações químicas covalentes. O Carbono ocorre em toda a vida orgânica conhecida e é a base da química orgânica. Quando unido ao hidrogênio, forma vários hidrocarbonetos importantes para a indústria como refrigerantes, lubrificantes, solventes, como matéria-prima química para a fabricação de plásticos e petroquímicos e como combustíveis fósseis.
Composto Químico Mais Comum de Carbono
As moléculas de dióxido de Carbono consistem em um átomo de carbono ligado covalentemente a dois átomos de oxigênio. O dióxido de Carbono é um gás incolor com densidade cerca de 53% maior que a do ar seco. É relativamente atóxico e incombustível, mas é mais pesado que o ar e pode asfixiar pelo deslocamento do ar. Quando o CO2 é dissolvido em água, o ácido carbônico suave é formado. O CO2 resfriado na forma sólida é chamado de gelo seco. O dióxido de Carbono é um componente menor da atmosfera da Terra, mas constituinte importante do ar. É uma matéria-prima necessária para a maioria das plantas, que removem o dióxido de Carbono do ar usando o processo de fotossíntese. Uma concentração típica de CO2 no ar é atualmente cerca de 0,040% ou 404 ppm. A concentração de dióxido de carbono atmosférico aumenta e diminui em um padrão sazonal em uma faixa de cerca de 6 ppmv. A concentração de CO2 no ar também tem aumentado de ano para ano por mais de 70 anos. A taxa atual de aumento é de cerca de 2,5 ppm por ano.
Sobre os prótons
Um próton é uma das partículas subatômicas que compõem a matéria. No universo, os prótons são abundantes, constituindo cerca de metade de toda a matéria visível. Tem uma carga elétrica positiva (+1e) e uma massa de repouso igual a 1,67262 × 10−27 kg (938,272 MeV/c2) — ligeiramente mais leve que a do nêutron, mas quase 1,836 vezes maior que a do elétron. O próton tem um raio quadrado médio de cerca de 0,87 × 10−15 m, ou 0,87 fm, e é um spin – ½ férmion.
Os prótons existem nos núcleos de átomos típicos, junto com suas contrapartes neutras, os nêutrons. Nêutrons e prótons, comumente chamados de núcleons, estão unidos no núcleo atômico, onde representam 99,9% da massa do átomo. A pesquisa em física de partículas de alta energia no século 20 revelou que nem o nêutron nem o próton não são o menor bloco de construção da matéria.
Sobre Neutrons
Um nêutron é uma das partículas subatômicas que compõem a matéria. No universo, os nêutrons são abundantes, constituindo mais da metade de toda a matéria visível. Ele não tem carga elétrica e uma massa de repouso igual a 1,67493 × 10−27 kg – ligeiramente maior que a do próton, mas quase 1,839 vezes maior que a do elétron. O nêutron tem um raio quadrado médio de cerca de 0,8 × 10−15 m, ou 0,8 fm, e é um férmion spin-½.
Os núcleos atômicos consistem em prótons e nêutrons, que se atraem através da força nuclear, enquanto os prótons se repelem através da força elétrica devido à sua carga positiva. Essas duas forças competem, levando a várias estabilidades de núcleos. Existem apenas certas combinações de nêutrons e prótons, que formam núcleos estáveis.
Os nêutrons estabilizam o núcleo, pois atraem uns aos outros e os prótons, o que ajuda a compensar a repulsão elétrica entre os prótons. Como resultado, à medida que o número de prótons aumenta, uma proporção crescente de nêutrons para prótons é necessária para formar um núcleo estável. Se houver muitos ou poucos nêutrons para um determinado número de prótons, o núcleo resultante não é estável e sofre decaimento radioativo. Isótopos instáveis decaem através de vários caminhos de decaimento radioativo, mais comumente decaimento alfa, decaimento beta ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de decaimento, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos. Deve-se notar que todas essas vias de decaimento podem ser acompanhadas pela subsequente emissão de radiação gama. Decaimentos alfa ou beta puros são muito raros.
Sobre elétrons e configuração de elétrons
A tabela periódica é uma exibição tabular dos elementos químicos organizados com base em seus números atômicos, configurações eletrônicas e propriedades químicas. A configuração eletrônica é a distribuição de elétrons de um átomo ou molécula (ou outra estrutura física) em orbitais atômicos ou moleculares. O conhecimento da configuração eletrônica de diferentes átomos é útil para entender a estrutura da tabela periódica dos elementos.
Todo sólido, líquido, gás e plasma é composto de átomos neutros ou ionizados. As propriedades químicas do átomo são determinadas pelo número de prótons, na verdade, pelo número e disposição dos elétrons. A configuração desses elétrons segue os princípios da mecânica quântica. O número de elétrons nas camadas de elétrons de cada elemento, particularmente na camada de valência mais externa, é o fator primário na determinação de seu comportamento de ligação química. Na tabela periódica, os elementos são listados em ordem crescente de número atômico Z.
É o princípio de exclusão de Pauli que exige que os elétrons de um átomo ocupem diferentes níveis de energia, em vez de todos se condensarem no estado fundamental. A ordenação dos elétrons no estado fundamental de átomos multieletrônicos começa com o estado de energia mais baixo (estado fundamental) e se move progressivamente a partir daí na escala de energia até que cada um dos elétrons do átomo receba um conjunto único de números quânticos. Este fato tem implicações importantes para a construção da tabela periódica dos elementos.
As duas primeiras colunas do lado esquerdo da tabela periódica são onde os subníveis s estão sendo ocupados. Por causa disso, as duas primeiras linhas da tabela periódica são rotuladas como o bloco s. Da mesma forma, o bloco p são as seis colunas mais à direita da tabela periódica, o bloco d são as 10 colunas intermediárias da tabela periódica, enquanto o bloco f é a seção de 14 colunas que normalmente é descrita como separada do corpo principal da tabela periódica. Poderia ser parte do corpo principal, mas então a tabela periódica seria bastante longa e complicada.
Para átomos com muitos elétrons, essa notação pode se tornar extensa e, portanto, uma notação abreviada é usada. A configuração eletrônica pode ser visualizada como os elétrons do núcleo, equivalentes ao gás nobre do período anterior, e os elétrons de valência (por exemplo, [Xe] 6s2 para o bário).
Estados de Oxidação
Os estados de oxidação são tipicamente representados por números inteiros que podem ser positivos, zero ou negativos. A maioria dos elementos tem mais de um estado de oxidação possível. Por exemplo, o carbono tem nove possíveis estados inteiros de oxidação de -4 a +4.
A definição atual do IUPAC Gold Book de estado de oxidação é:
“O estado de oxidação de um átomo é a carga desse átomo após a aproximação iônica de suas ligações heteronucleares…”
e o termo número de oxidação é quase sinônimo. Um elemento que não é combinado com nenhum outro elemento diferente tem um estado de oxidação de 0. O estado de oxidação 0 ocorre para todos os elementos – é simplesmente o elemento em sua forma elementar. Um átomo de um elemento em um composto terá um estado de oxidação positivo se tiver seus elétrons removidos. Da mesma forma, a adição de elétrons resulta em um estado de oxidação negativo. Também distinguimos entre os estados de oxidação possíveis e comuns de cada elemento. Por exemplo, o silício tem nove possíveis estados inteiros de oxidação de -4 a +4, mas apenas -4, 0 e +4 são estados de oxidação comuns.
Resumo
| Elemento |
Carbono |
| Número de prótons |
6 |
| Número de nêutrons (isótopos típicos) |
12; 13 |
| Número de elétrons |
6 |
| configuração eletrônica |
[Ele] 2s2 2p2 |
| Estados de oxidação |
-4; -3…; +4 |
Fonte: www.luciteria.com
Propriedades de outros elementos
Outras propriedades do Carbono
Nihônio é um elemento químico com número atômico 113, o que significa que existem 113 prótons em seu núcleo. O número total de prótons no núcleo é chamado de número atômico do átomo e recebe o símbolo Z. A carga elétrica total do núcleo é, portanto, +Ze, onde e (carga elementar) é igual a 1,602 x 10-19 coulombs.
