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O carbono é um dos elementos que realizam o fenômeno da alotropia, isto é, liga-se de diferentes maneiras, formando várias substâncias simples com formas e propriedades diferentes.
O grafite pode ser encontrado em duas formas diferentes, αalfa e betaβ, ambas formadas por redes hexagonais planares de átomos de carbono, apresentando somente no arranjo das camadas: sequência ..ABAB.. para a forma αalfa e ..ABCABC... na βbeta. Elas podem ser interconvertidas por moagem (alfa -> betaβ) ou por aquecimento acima de 1025°C (beta -> alfa). A densidade ideal do grafite é 2,266 g/cm³, mas varia de 2,23 g/cm³, no coque de petróleo, até 1,48 g/cm³, no carvão ativo.
Uma importante propriedade do grafite é que, devido à formação do orbital do tipo p com ligação π, sua estrutura é altamente alterada com relação à direção paralela e perpendicular ao plano. Ainda, o elétron livre do orbital tipo p pode se mover tornando o grafite condutor de eletricidade, diferente de sua outra forma alterada estável, o diamante, que tem baixa condutividade elétrica.
O diamante é a variedade polimórfica do elemento químico carbono que se cristaliza na classe m3m (hexaoctaedral) do sistema cúbico de simetria.Ele, em particular, enquadra-se também no grupo dos minerais gemológicos, dentre os quais se destaca por suas propriedades diferenciadas de brilho, transparência e dureza, além de ser isolante elétrico e térmico.
Não são eternos como alguns dizem, pois os carbonos se reorganizam. Essa última característica permite que seja utilizado para cortar blocos de granito. Sua densidade é 3,51g/cm3.
São nanoestruturas únicas, algumas derivadas da sua estreita relação com o grafeno e outras do aspecto unidimensional. Eles tem propriedades eletrônicas e mecânicas, e se dividem em parede simples, com apenas uma folha de grafeno enrolada em si mesma como um tubo cilíndrico, ou múltiplas, sendo assim um conjunto de nanotubos concêntricos estabilizados por forças de van der Waals
Os fulerenos constituem uma classe de nanomoléculas esferoidais estáveis formadas exclusivamente por átomos de carbono. Ao contrário das outras formas alotrópicas de carbono, como grafite, diamante e nanotubos, os fulerenos são uma forma molecular de carbono. Até hoje, oito fulerenos estáveis já foram isolados em quantidades significativas, sendo os mesmos denominados [60-Ih ], [70-D5h], [76-D2 ], [78-D3 ], [78-C2v(I)], [78-C2v(II)], [84-D2 (IV)] e [84-D2d(II)] em função do número de carbonos que os formam, do grupo pontual de simetria da molécula e do número do possível regioisômero.
Dentre estes fulerenos, a molécula de simetria Ih formada por 60 átomos de carbono, o buckminsterfulereno, fulereno[C60] ou simplesmente C60 é, sem dúvida, o mais abundante e representativo. O C60 tem a estrutura de um icosaedro truncado não regular de 32 faces (20 hexágonos e 12 pentágonos) com 30 ligações carbono-carbono situadas nos vértices das fusões entre pentágonos e hexágonos.
O carbono amorfo é uma forma metaestável do carbono, aspropriedades físicas vão depender da quantidade relativa de ligações tipo sp 2 ou sp 3 , além disso, da forma como elas se arranjam no interior do material oferecendo uma ampla gama de aplicações possíveis para os filmes carbono amorfo, isto não seria possível se não se tivesse um controle sobre o tipo de ligação que predominaria ao formar este filmes.
Os filmes de carbono amorfo, apresentam uma forma desordenada de carbono, ou seja, não apresentam uma ordem de longa distancia, podendo apresentar uma estrutura ordenada a distancia média ou curta, diferentemente das outras variedades alotrópicas do carbono.
A negro fumo, também conhecida como fuligem, é um tipo de carvão em pó. É obtido em combustões incompletas de metano e acetileno. Nele há a predominância de carbono sp2.
CH4 (g) + O2(g) → C(s) + 2 H2O(l)
metano oxigênio fuligem água
Esse tipo de carvão é o mais próximo do carvão natural, com 99% de carbono e é seu representante mais puro.
Suas utilizações mais comuns:
• Como adsorvente
• Na fabricação de eletrodos
• Produção de tintas ou pneus
Na fabricação de pneus, o negro de fumo é empregado como reforço para a borracha. Dessa forma, eles são geralmente todos da cor preta. Seu uso é responsável pela aderência ao piso, durabilidade dele e resistência ao rolamento.
O carvão animal é um material carbonoso onde se distribui uma estrutura porosa de hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2 ou HAP), que também possui outras denominações como carvão de osso, carvão negro ou pigmento preto.
O número de identificação CAS (Chemical Abstract) para o carvão animal é 98615-67-9. A produção dele pode ser feita através de dois meios distintos quanto à presença de ar no sistema: calcinação e pirólise. Na calcinação, o osso é ativado em suprimento contínuo de oxigênio do ar atmosférico. Já durante a pirólise tem-se a ausência de oxigênio no sistema. A calcinação é levada em atmosfera limitada de ar atmosférico, em temperaturas de 500 a 800°C, o produto é denominado carvão de osso com cerca de 10% de carbono e esta característica o distingue dos demais tipos de carvão convencionais que são compostos apenas de carbono orgânico.
Aproximadamente 70 a 75% do carvão de osso é hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), o principal componente inorgânico dos ossos de animais, além de pequenas quantidades de calcita (CaCO3) devido à presença de CO2 no forno durante o processo de produção. O carbonato presente confere características alcalinas e de tampão ao carvão de osso, o que é interessante em tratamento de efluentes. Apesar do uso deste material no refino de açúcar como agente de descoloração ser conhecido há mais de um século (Bennett e Abram, 1967), a sua utilização como adsorvente para diversos poluentes tem sido o foco 43 de muitos estudos na atualidade.
O carvão mineral é gerado pelo soterramento e da solidificação de restos vegetais de sedimentos provenientes de rochas. Ao longo dos anos o carvão sofre o processo de carbonização, que é quando os restos vegetais se solidificam, consequentemente perde oxigênio e hidrogênio e aumenta a quantidade de carbono. Esse processo leva em consideração o aumento da pressão e a temperatura, pois quanto mais alto for o grau de carbonificação melhor será as propriedades do carvão.
Há quatro fases na formação do carvão mineral, que são classificadas a partir da quantidade de carbono presente, e é organizada do menos rico para o mais rico em carbono, são elas: turfa, linhito, hulha e antracito. A grafita seria ainda mais pura que o antracito, mas ela não está presente nessa classificação por não ser combustível.
Nessa região pode ter de 55% a 60% de carbono. Para a realização da extração do carvão é necessário realizar uma drenagem da área, pois o teor de água é muito alto, logo é depositada a céu aberto e depois é cortada em blocos para ser usada de combustível em termoelétricas e fornalhas, obtenção de gás combustível, amônia, ceras, parafinas, entre outros.
Aqui há cerca de 67% a 78% de concentração de carbono. Ela pode ser marrom ou preta, e é usada em gasogênios industriais. Após a combustão, a cinza resultante pode ser usada para a produção de cerâmicas e cimento pozolânico.
80% a 90% a concentração de carbono. É dividido em carvão-vapor (ou carvão energético) e em carvão metalúrgico. O carvão-vapor tem alto teor de cinzas e é considerado mais pobre, seu uso é feito em fornos, muitas vezes em usinas termoelétricas. Já o carvão metalúrgico seria mais nobre, e que é transformado em choque, uma substância altamente porosa, leve e heterogênea. Sua função é fornecer suporte à carga de minério de ferro e outros minerais, assim proporcionando a percolação de gases quentes, e fornecer calor. Da hulha também é gerado o alcatrão que é uma mistura de hidrocarbonetos aromáticos.
96% de carbono e é utilizado como combustível, uma vantagem é que ele produz pouca fuligem. É o mais indicado para uso doméstico, utilizado na fabricação de filtros de água.
O carvão vegetal é gerado através da queima, carbonização ou pirólise da madeira. Ao utilizar a madeira já queimada e quebradiça é possível perceber que ela não produz chama e gera pouca fumaça, gerando assim um calor mais controlável, dessa forma foi possível conhecer o carvão vegetal e seu uso como combustível. Esse forma de combustível pode ser utilizada em: abastecimento de siderúrgicas, churrasqueira, lareiras, fogão a lenha, entre outros. E com o passar dos anos, a utilização do carvão se tornou mais intensa, mas em alguns lugares houve a substituição desse material por combustíveis fósseis.
Era utilizado desde a antiguidade pelos egípcios, e também há relatos de que no Brasil os índios também faziam uso do carvão vegetal. Durante a Segunda Guerra serviu para tirar gases tóxicos, isso ocorre devido à sua porosidade, pois ela pode absorver impurezas sem modificar a estrutura.
Na área industrial, esse carvão é utilizado para a produção de ferro-gusa, aço e ferro-ligas, ele funciona como redutor e energético. Já na área da medicina podemos encontrá-lo como carvão ativado. O carvão vegetal herbarium, que é formado pelo pó do carvão vegetal, pode absorver gases gerados na decomposição alimentar.
A carbonização ocorre quando a madeira é submetida a grandes temperaturas. Ao realizar esse processo ocorre a decomposição da madeira que uma parte é transformada em carvão vegetal e a outra emvapores e gases.
O carvão vegetal pode ser considerado como fonte de energia renovável, já que a sua matéria prima também é considerada como renovável. Mas não é muito ecológico, devido à grande liberação de gás carbônico na atmosfera.
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