Diamante e grafite de um simples lápis são dois alótropos de um mesmo elemento químico, o carbono

O carbono é um elemento notável por várias razões. Suas formas alotrópicas incluem, surpreendentemente, uma das substâncias mais frágeis e baratas (o grafite) e uma das mais rígidas e caras (o diamante), mas ha outros alótropos do carbono

Alotropia (do grego allos, outro, e tropos, maneira) foi um nome criado por Jöns Jacob Berzelius e que hoje designa o fenômeno em que um mesmo elemento químico pode originar substâncias simples diferentes. As substâncias simples distintas são conhecidas como alótropos. Estes alótropos são diferentes modificações estruturais do elemento, ou seja, os átomos do elemento estão ligados entre si de uma maneira diferente, como pode ser ilustrado na figura ao lado.

O carbono (do latim carbo, carvão) é um elemento químico, símbolo C, número atômico 6 (6prótons e 6 elétrons), massa atómica 12 u, sólido à temperatura ambiente.¹ Como um membro do grupo 14 da tabela periódica, ele é um não metal e tetravalente - fazendo quatroelétrons disponíveis na forma de ligações covalentes. Há três isótopos com formação natural, com o ¹²C e ¹³C sendo estável, onde o ¹⁴C é radioativo, decompondo com uma meia-vida de aproximadamente 5730 anos.² Ele é um dos poucos elementos químicos descobertos desde a antiquidade.³

Há vários alótropos de carbono, e entre os mais conhecidos estão a grafite, o diamante e o carbono amorfo.⁴ As propriedades físicas do carbono variam de acordo com sua forma alotrópica. Por exemplo, o diamante é altamente transparente, enquanto a grafite é um material opaco e preto. O diamante é um dos materiais mais duros que se conhecem na natureza, onde a grafite é um material macio a ponto de conseguir riscar no papel (desde o seu nome, da palavra grega "γράφω", que significa para escrever). O diamante tem um baixíssima condutividade elétrica, enquanto a grafite é um excelente condutor. Sob condições ambientais normais, o diamante, os nanotubos de carbono e o grafeno têm uma elevada condutividade térmica entre todos os materiais conhecidos.

Todos os alótropos de carbono são sólidos em temperatura ambiente, com a grafite sendo o mais estável termodinâmico. Eles têm resistência química e requerem altas temperaturas para reagir com o oxigênio. O estado de oxidação mais comum do carbono em um composto inorgânico é o +4, onde +2 é encontrado no monóxido de carbono e outros complexos de carboxila metálica com metais de transição. A maior disponibilidade de compostos inorgânicos com carbono está no calcário, na dolomita e o dióxido de carbono, porém quantidades significativas são encontradas nas minas de carvão, nas turfas, no petróleo e nas fontes de hidrato de carbono. É o elemento químico mais numeroso de compostos químicos , mais do que os outros elementos químicos, com quase dez milhões de compostos.

O carbono é o 15° elemento químico mais abundante na crosta terrestre e o 4° elemento mais abundante no universo depois do hidrogênio, hélio e o oxigênio. Ele está presente em todas as formas de vida, e no corpo humano é o segundo elemento mais abundante em massa (cerca de 18,5%) depois do oxigênio.⁶ Esta abundância, em conjunto com a exclusiva diversidade e sua incomum capacidade de formar polímeros sob as diversas condições de temperatura na Terra, tornando-o este elemento básico para todas as formas de vidas conhecidas.

. Mais ainda: apresenta uma grande afinidade para combinar-se quimicamente com outros átomos pequenos, incluindo átomos de carbono que podem formar largas cadeias. O seu pequeno raio atómico permite-lhe formar cadeias múltiplas; assim, com o oxigênio forma o dióxido de carbono, essencial para o crescimento das plantas (ver ciclo do carbono); com o hidrogênio forma numerosos compostos denominados, genericamente,hidrocarbonetos, essenciais para a indústria e o transporte na forma de combustíveis derivados de petróleo e gás natural. Combinado com ambos forma uma grande variedade de compostos como, por exemplo, os ácidos graxos, essenciais para a vida, e os ésteres que dão sabor às frutas. Além disso, fornece, através do ciclo carbono-nitrogênio, parte daenergia produzida pelo Sol e outras estrelas.

São conhecidas quatro formas alotrópicas do carbono⁷ , além da amorfa: grafite, diamante, fulerenos e nanotubos. Em 22 de março de 2004se anunciou a descoberta de uma quinta forma alotrópica: (nanoespumas). A forma amorfa é essencialmente grafite, porque não chega a adotar uma estrutura cristalina macroscópica. Esta é a forma presente na maioria dos carvões e na fuligem.

À pressão normal, o carbono adota a forma de grafite estando cada átomo unido a outros três em um plano composto de células hexagonais; neste estado, 3 elétrons se encontram em orbitais híbridos planos sp² e o quarto em um orbital p.

As duas formas de grafite conhecidas, alfa (hexagonal) e beta (romboédrica), apresentam propriedades físicas idênticas. Os grafites naturais contêm mais de 30% de forma beta, enquanto o grafite sintético contém unicamente a forma alfa. A forma alfa pode transformar-se em beta através de procedimentos mecânicos, e esta recristalizar-se na forma alfa por aquecimento acima de 1000 °C.

Devido ao deslocamento dos elétrons do orbital pi, o grafite é condutor de eletricidade, propriedade que permite seu uso em processos de eletrólise. O material é frágil e as diferentes camadas, separadas por átomos intercalados, se encontram unidas por forças de Van der Waals, sendo relativamente fácil que umas deslizem sobre as outras.Sob pressões elevadas, o carbono adota a forma de diamante, na qual cada átomo está unido a outros quatro átomos de carbono, encontrando-se os 4 elétrons em orbitais sp³, como nos hidrocarbonetos. O diamante apresenta a mesma estrutura cúbica que o silício e o germânio, e devido à resistência da ligação química carbono-carbono, é junto com onitreto de boro (BN) a substância mais dura conhecida. A transformação em grafite na temperatura ambiente é tão lenta que é indetectável. Sob certas condições, o carbono cristaliza como lonsdaleíta, uma forma similar ao diamante, porém hexagonal, encontrado nos meteoros.

O orbital híbrido sp, que forma ligações covalentes, só é de interesse na química, manifestando-se em alguns compostos como, por exemplo, o acetileno.

Os fulerenos têm uma estrutura similar à do grafite, porém o empacotamento hexagonal se combina com pentágonos (e, possivelmente, heptágonos), o que curva os planos e permite o aparecimento de estruturas de forma esférica,elipsoidal e cilíndrica. São constituídos por 60 átomos de carbono apresentando uma estrutura tridimensional similar a uma bola de futebol. As propriedades dos fulerenos não foram determinadas por completo, continuando a serem investigadas.

A esta família pertencem também os nanotubos de carbono, de forma cilíndrica, rematados em seus extremos por hemiesferas (fulerenos). Constituem um dos primeiros produtos industriais da nanotecnologia. Investiga-se sua aplicabilidade em fios de nanocircuitos e em eletrônica molecular, já que, por ser derivado do grafite, conduz eletricidade em toda sua extensão.Possui ainda, grande aplicabilidade em compostos dinâmicos.

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