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As diferentes formas do carbono

Publicado por 
novaescola
Objetivo(s) 

- Estudar o elemento químico Carbono e configuração eletrônica
- Aprender a hibridização dos orbitais nas ligações covalentes
- Identificar as diferentes formas alotrópicas do carbono e suas propriedades
- Entender a estrutura do grafeno

Conteúdo(s) 

- Ligações covalentes
- Hibridização dos orbitais
- Alotropia do elemento químico carbono
- Estruturas e propriedades do grafite, diamante, fulerenos, nanotubos e grafeno
- Importância da descoberta do grafeno

Ano(s) 
Tempo estimado 
Duas aulas
Material necessário 

Reportagem de VEJA:

- Cópias da reportagem da revista Veja "O início da era do grafeno" (Veja, 9 de outubro de 2013, 2342)
- Balões de borracha (bexigas coloridas utilizadas em festas infantis)
- Figuras dos objetos: lápiz, diamante e bola de futebol

Desenvolvimento 
1ª etapa 

Inicie a aula questionando os alunos se eles conhecem o elemento químico carbono, o que já ouviram falar sobre o assunto, se conhecem algum composto formado por carbono e o que sabem sobre sua importância.

Durante essa discussão, enfatize a importância desse elemento químico para a vida, diga que todos nós somos feitos de moléculas que possuem carbono, que esse elemento forma diversos compostos como, por exemplo, o CO2, importante para o ciclo das plantas, ou hidrocarbonetos, essenciais para a indústria de petroquímica.

Para dar início ao conteúdo, diga que o carbono é um elemento não-metálico, de massa atômica igual a 12 e número atômico igual a 6 (anote essas informações no quadro) e mostre sua localização na tabela periódica.

Faça no quadro a distribuição eletrônica de Linus Paulling para o carbono e com ajuda da tabela periódica mostre que esse elemento está localizado na família 4ª e que possui quatro elétrons na camada de valência, que é a camada mais externa do átomo.

                                                                        1s22s2[2p23s2]

Explique à turma que por esse motivo o carbono é considerado um elemento tetravalente, ou seja, faz até quatro ligações com outros átomos afim de se estabilizar segundo a Regra do Octeto, que0 estabelece a necessidade de alcançar oito elétrons na camada de valência através da ligações.
Relembre a definição de ligação covalente, explicando que no caso do carbono, que possui uma eletronegatividade intermediária, não doa nem recebe elétrons, mas se estabiliza por meio do compartilhamento de elétrons por ligações covalentes comuns simples, duplas e triplas.

Diagrama de uma molécula de metano. Crédito: Nova Escola

Para explicar esses três tipos de ligação covalente, diga aos alunos que elas só são possíveis porque o carbono tem a capacidade de hibridizar seus orbitais e que a palavra hibridização se refere à uma mescla de duas espécies diferentes para formar uma nova espécie de características intermediárias àquelas das espécies que a originaram. Por exemplo, no estado fundamental o carbono tem dois elétrons no orbital 2s2, e um elétron no orbital 2px e 2py, ficando assim o orbital 2pz vazio. Um dos elétrons do orbital 2s2 é então ativado e promovido para o orbital 2pz que estava vazio.


Na hibridização, pode ocorrer a mescla entre os obitais "s" e "p" da camada de valência formando os orbitais híbridos sp3. Essa nomenclatura vem do fato do orbital híbrido ter um orbital "s" e três orbitais "p". O carbono pode então fazer quatro ligações do tipo sigma (σ), todas iguais e de mesma energia.

Mostre como esse processo ocorre, passo a passo, enquanto faz a explicação acima.

Para exemplificar a geometria dos orbitais hibridizados e a distância entre eles, monte um esquemas com bexigas. Para o orbital sp3 amarre quatro bexigas juntas e explique para os alunos que o nó representa o carbono e a ponta de cada bexiga representa o elemento que está ligado ao carbono, assim, a bexiga representa o orbital híbrido. Deixe a bexiga cair sobre uma superfície plana, ou segure uma das bexigas e elas estarão, naturalmente, no formato do orbital desejado, auxiliando a compreensão dos alunos através dessa representação visual.

Na explicação do orbital sp2 , diga aos alunos que o processo é muito semelhante ao da hibridização sp3, porém nessa hibridização apenas dois orbitais p se "misturam" ao orbital "s", formando os orbitais sp2 (um orbital "s" e dois orbitais "p") e deixando um orbital "p puro", onde ocorre a ligação do tipo pi (π). Desse modo, o carbono sp2 faz três ligações do tipo sigma e uma ligação do tipo pi.

Diagrama de uma molécula de eteno. Crédito: Nova Escola

Assim como realizado anteriormente, para exemplificar o orbital sp2 amarre três bexigas, já que o carbono está ligado a três elementos. Se achar necessário, utilize uma bexiga de cor diferente para mostrar o orbital pi paralelo, onde a ligação dupla ocorre e repita o mesmo procedimento com a bexiga para mostrar a forma do orbital.

Para finalizar a explicação dos tipos de hibridização, diga aos alunos que na formação do orbital sp1, durante a hibridização, apenas um orbital p "se une" ao orbital s (um orbital s e um orbital p), deixando dois orbitais "p puros", onde ocorrem as ligações do tipo pi. Então, o carbono sp3 faz duas ligações do tipo sigma e duas ligações do tipo pi.

Diagrama de uma molécula de etino. Crédito: Nova Escola

Na exemplificação do orbital sp1 amarre apenas duas bexigas e siga a explicação como feito anteriormente.

2ª etapa 

Inicie esta etapa explicando aos alunos que um mesmo elemento químico pode formar duas ou mais substâncias simples diferentes entre si, ao compartilhar elétrons. Esse fenômeno é chamado de alotropia e as variedades alotrópicas do elemento irão depender da quantidade de átomos e/ou da estrutura cristalina da substância.

Mostre à turma as figuras de lápis e de um diamante e explique que ambos possuem formas alotrópicas do carbono na natureza. Estimule os alunos a darem opiniões sobre quais semelhanças eles acreditam que as figuras apresentam. Fale que no caso do carbono, existem cinco formas alotrópicas conhecidas: grafite (ou grafita), diamante, fulerenos, nanotubos e grafeno. Explique que a diferença nas estruturas destas substâncias está na forma que os átomos de carbono estão arranjados e que esta diferença influi na dureza dos materiais obtidos. Comente que enquanto o grafite é muito frágil (exemplo: a grafite do lápis quebra-se facilmente e devido à essa propriedade também é possível "riscar" o papel e o risco obtido é uma parte do grafite que se desprendeu e passou para o papel).

Em condições normais de temperatura e pressão (CNTP), o carbono na forma de grafite é formado por três átomos e seus três elétrons estão nos orbitais híbridos planares sp2 e um no orbital "p". Desta maneira, são formadas células hexagonais, como mostra a figura a seguir. As camadas hexagonais são unidas por forças de Van der Waals que promovem a fragilidade do material e o deslocamento dos elétrons no orbital pi (π) garante a condução de eletricidade.

Apresente outra forma aos alunos, explique que quando o carbono é submetido a altas pressões, ele gera a forma do diamante e, neste caso, tem-se quatro átomos de carbono com quatro elétrons em orbitais sp3. Devido à estrutura cúbica e às ligações entre os átomos de carbono, este é um material que possui alta dureza. Comente com a turma que o diamante, além do uso conhecido em jóias, é um poderoso cortador de vidro por sua dureza!

Outra forma alotrópica muito interessante é o fulereno. Ele é composto por 60 átomos de carbono que estão organizados em pentágonos, formando uma estrutura tridimensional similar a uma bola de futebol.

Diagrama de uma molécula de etino. Crédito: Nova Escola


Figura 1 - Representação das estruturas do diamante, grafita (ou grafite) e fulereno.
(fonte: Usberco, J.; Salvador, E. "Química" - volume único. 5a edição. São Paulo: Saraiva, 2002. p.108.)

Da mesma família que os fulerenos, um dos produtos da nanotecnologia (tecnologia que utiliza materiais com dimensões de 1/109 metros), os nanotubos de carbono possuem estrutura cilíndrica e possuem em seus extremos hemiesferas, conhecidas como fulerenos. Por serem derivados do grafite, também são condutores de eletricidade e, devido ao tamanho nanométrico, têm essa propriedade potencializada.

Representação esquemática da estrutura de nanotubos de carbono (a) nanotubo de parede simples, (b) nanotubo de parede múltipla. Fonte: Zarbin, A. J. G. Química de (nano)materiais. Química Nova, vol. 30, no. 6, 2007, p. 1473

Figura 2 - Representação esquemática da estrutura de nanotubos de carbono (a) nanotubo de parede simples, (b) nanotubo de parede múltipla.
(fonte: Zarbin, A. J. G. Química de (nano)materiais. Química Nova, vol. 30, no. 6, 2007, p. 1473.)

Comente com os alunos que dentre as famílias de estruturas de carbono, a descoberta mais recente foi o grafeno. A estrutura desta substância é formada por folhas de átomos de carbono com hibridização sp2 densamente compactados e a espessura de apenas um átomo de carbono. Ele foi descoberto em 2004 no Centro de Nanotecnologia da Universidade de Manchester, pelos cientistas Konstantin Novoselov e Andre Geim, que foram laureados em 2010 com o Prêmio Nobel. Sua estrutura é cristalina hexagonal, bidimensional, semelhante a um favo de mel. O grafeno é uma folha plana de átomos de carbono compactados em uma grade de duas dimensões e faz parte de estruturas de carbono em outras dimensões, pode se apresentar montado como fulerenos, enrolados como nanotubos ou empacotados como grafite.

Explique que, por possuir a espessura de um único átomo, o grafeno é um material transparente que absorve somente 2% da luz que incide sobre ele. Sendo a ligação C-C sp2 a de mais alto valor de energia, o grafeno possui resistência mecânica maior que o diamante apesar de ser altamente flexível.

Comente que o modelo teórico do grafeno já existia desde que se compreendeu a estrutura lamelar do grafite. Também já havia sido proposto que os nanotubos seriam formados pelo enrolamento de folhas desse material. Contudo, o grafeno puro nunca havia sido isolado, até que um cientista resolveu separar as camadas do grafite utilizando fita adesiva.

Discuta, então, que apesar desse método ter sido eficiente para a obtenção de uma folha de grafeno isolada, ele não é eficaz para ser usado para produção em larga escala. Para isso, vários métodos de obtenção foram desenvolvidos, conforme o mostrado na reportagem.

Por apresentar propriedades únicas, aliando alta resistência à maleabilidade, o grafeno pode ter várias aplicações industriais, como na fabricação de transistores moleculares de alta frequência ou na criação de computadores ultrarrápidos, por exemplo.

Avaliação 

Peça para os alunos redigirem um texto explicando as diferenças entre as formas alotrópicas do carbono e que discutam a relação entre as propriedades físicas e químicas e suas possíveis aplicações.

Créditos:
Raquel Vichessi
Formação:
Bacharel em Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), e Igor Rocha, bacharel e licenciado em Química pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Autor Nova Escola

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