Carbono - Resumo Kátia

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Instituto de Química ­ Departamento de Química Inorgânica
QUI01.145 – Química Inorgânica II
Prof. Katia Bernardo Gusmão
Carbono
− Introdução
− Ocorrência
− Isótopos
− Formas Alotrópicas
− Compostos:  ­     Carbetos
− Óxidos:  ­ CO e CO2
− Carbonatos e Hidrogenocarbonatos
− Bibliografia:  ­     Rayner
− Ríos
− Lee
Introdução
C não­metal
Si Semi­metais
Ge
Sn metais
Pb
PEB (°C) PF (°C)
C Sublima a 4100 °C
Capacidade de 
Catenação diminuiSi 3280 1420
Ge 2850 945
Sn 2623 232
Pb 1751 327
Catenação → capacidade de formar cadeias.
Energia Energia
C­C 346 kJ.mol­1 Si­Si 222 kJmol­1
C­O 358 kJ.mol­1 Si­O 452 kJ.mol­1
C­O~C­C Si­O>>Si­Si
VIDA POSSÍVEL  Ligações de Hidrogênio
Catenação do Carbono
Ocorrência
− Carvão
− petróleo
− carbonatos (calcáreos): Ca ­ Calcita
Mg ­ Magnesita
− CO2 atmosférico (0,03% v/v)
− organismos vivos
H2O
CO2 carboidratos: plantas e animais
No Universo C é o mais abundante do grupo, já na crosta terrestere o Si é o mais abundante.
Isótopos
12C 13C 14C
98,89% 1,11% traços
radioativo
t1/2 = 5700 anos
Técnica de datar objetos
Entre 1000 – 20000 anos.
% 14C → constante na terra, pois está constantemente sendo produzido na atmosfera superior.
14 1 1
4
1
N +   C + H
7 0 6 1
= nêutrons de raios cósmicos.
14C reage com oxigênio 
 
14CO2
Plantas absorvem 14CO2
Animais comem plantas ou comem animais que comem plantas.
14C constante em organismos vivos.
Após a morte = decaimento 14C  14N + e- + -.
DATAÇÃO!
Formas Alotrópicas: Diamante, Grafite, Fulerenos e Nanotubos de C
Diamante
− Estrutura = cada carbono ligado covalentemente a outros 4 com geometria tetraédrica.
− Hibridização: sp3, ligações sp3­sp3.
C­C 154 pm
− Dureza: 10 Mohs (máximo da escala Mohs, escala de riscar).
− Densidade = 3,5 g.cm­3.
− Vários planos de clivagem – possibilidade de lapidação. Propriedades óticas: joalheria.
− Inerte quimicamente.
− Isolante elétrico.
− Condutor térmico.
− Aplicações   :
− joalheria
− instrumentos de corte (bisturis).
− Revestimento de microchips.
Grafite
− Estrutura = hexagonal em lamelas: forças de van der Waals entre elas.
− Hibridização:   sp2,   ligações  sp2­sp2  +   Cada átomo de carbono possui um orbital 
perpendicular ao plano formando um grande sistema 
C­C 141 pm ~ C6H6, 140 pm
− Dureza: 1,2 Mohs.
− Densidade = 2,2 g.cm­3.
− Condutor elétrico.
− Aplicações   :
− lubrificante
− eletrodos
− lápis (mistura com argila) – quanto + argila + duro.
Fulerenos
− Estrutura = átomos de C arranjados em uma estrutura esférica ou elipsoidal.
Anéis de 5­6 membros (C60) ~ semelhante a uma bola de futebol.
Fulereno, C60
Anéis de 6 membros (C70) ~1 bola de futebol americano ou 1 bola de rugby.
Sintetizado a partir de grafite a 10000 C (aquecido com um raio laser intenso).
Fuligem contém fulerenos. Também são encontrados em depósitos de grafite.
− Densidade = 1,5 g.cm­3.
− Solúveis em solventes apolares (hexanos, tolueno).
− Cores: Pretos quando sólidos.
− Diversas cores em solução: C36 amarelo­ouro (menor)
C60 magenta
C70 vermelho vivo
C76 amarelo­esverdeado
C100 (maior)
Promissor: filmes em óculos (absorve luz).
Nanotubos de Carbono
− mais promissores do que fulerenos.
Sintetizado a partir de grafite a 1200 C / atmosfera inerte.
Devido as ligações covalentes C­C nos nanotubos estes são imensamente forte (100X + forte que 
aço).
Excelente   condutor   elétrico   devido   ao   alinhamento   dos   anéis   ao   longo   do   tubo   =   FIBRAS 
ELÉTRICAS (equivalente elétrico a fibras óticas).
Aplicações do “Carbono Impuro”:
• Aplicações majoritárias do carbono: fonte de energia e como agente redutor.
Agente redutor → coque (carvão aquecido em ausência de ar).
5 X 108 ton/dia (produção de ferro). (aço = ferro + carbono).
Negro de Fumo → pó finamente dividido. Micrografite impuro (produzido pela combustão 
incompleta de matéria orgânica).
1 X 107 ton/dia → borracha. (pneus).
Carvão ativo → área superficial alta 103 m2g-1.
Descolorização do açúcar.
Filtros de gases e água.
COMPOSTOS
1. Carbetos
Iônicos Covalentes Metálicos
Elementos mais eletropositivos
(metais alcalinos, metais alcalinos terrosos e Al)
Não­metais com 
eletronegatividade 
semelhante a do C
Metais de transição
(intersticiais)
Ex: Na2C2(s), Al4C3(s) SiC, B4C WC, Fe3C
Reativos:
Na2C2(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + C2H2 (g)
Al4C3(s) + 12H2O(l) → 4Al(OH)3(aq) + 3CH4 (g)
• SiC (Carbeto de Sílicio)
• sólido muito duro ~10 Mohs.
• Estrutura semelhante ao diamante.
• Hibridização do C : sp3
• Substitui o diamante em muitos usos comerciais.
• Usado em brocas de perfuração do petróleo.
2. Óxidos
CO – Monóxido de Carbono
− Gás incolor, inodoro e tóxico [→ reage com a hemoglobina no lugar do O2, formando um complexo 
mais estável (carboxihemoglobina) – afinidade pela hemoglobina 300 X maior que a do O2].
LIGAÇÃO
­ Ligação C­O muito curta no monóxido de carbono.
C≡O 1,13 Å (no CO)
C=O 1,21 Å (em cetonas)
- Ligação C≡O no CO é a mais forte conhecida:
E = 1070 kJmol­1
PRODUÇÃO
­ Combustão incompleta de C ou compostos de C.
2C(s) + O2(g) → 2CO(g)
­ gás puro (em laboratório):
HCOOH(l) + H2SO4(l) → H2O(l) + CO(g) + H2SO4(aq)
REATIVIDADE
1. Queima produzindo CO2
2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)
2. Reage com Cl2
CO(g) + Cl2(g) → COCl2(g) (fosgênio)
3. Ótimo redutor para a obtenção de metais
Fe2O3(s)   +   3 
CO(g)
 2Fe(l) + 3CO2(g)

4. Em síntese orgânica
CO(g)   + 
2H2(g)
 CH3OH(g)

gás de síntese metanol
H2 + CO(g) + 
C2H4(g)
[HCo(CO)4] C2H5CHO
propanal
5. Forma compostos M­CO
­ grande afinidade por metais
M ­ : CO (base de Lewis)
Ni(s)   +   4 
CO(g)
 Ni(CO)4
(tóxico)
Fe(CO)5
Cr(CO)6
CO2 – Dióxido de Carbono
− Gás incolor, denso, atóxico e inodoro (ou cheiro ácido – CO2 + H2O  H2CO3).
Não queima  usado para extintores de incêndio.
Geometria: linear:  O=C=O
Hibridização: sp
(2 ligação  e 2 ligações ).
OBTENÇÃO
Produto da combustão completa do C (ou compostos orgânicos).
C + O2  CO2
C2H6 + 7/2 O2  2CO2 + 3H2O
− Em laboratório:
CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g)

CaCO3(s) + 2HCl(aq)  CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)
REATIVIDADE
CO2(g) + Ca(OH)2(aq)  CaCO3(s) + H2O(l)
+ CO2(g)
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)  Ca(HCO3)2(aq)
APLICAÇÕES
− como refrigerante (gelo seco)
− bebidas com gás
− propelente em aerosóis
− gás para botes infláveis
− extintores de incêndio
− SCF (fluído supercrítico, ex. para retirar cafeína do grão de café, o que era feito com CH2Cl2  – 
tóxico).
3. Carbonatos e Hidrogenocarbonatos (bicarbonatos)
CO32­(aq) + H2O(l)  HCO3­(aq) + OH­(aq)
Geometria: trigonal planar.
Hibridização: sp2
3 ligações  e 1 ligação (deslocalizada).
SOLUBILIDADE EM ÁGUA
Carbonatos – CO32­
Somente os carbonatos de metais alcalinos são solúveis (+ carbonato de amônio).
Na2CO3 (NH4)2CO3 CaCO3(s) BaCO3 (s) 
solúvel solúvel insolúvel insolúvel
* Solubilidade aumenta com a diminuição da relação q/r
Grupo 1 r(Å) q/r Carbonatos do grupo 1 são solúveis em água.
Li+ 0,90 1,1
Na+ 1,16 0,9
K+ 1,52 0,7
Rb+ 1,66 0,6
Cs+ 1,81 0,5
Grupo 2 r(Å) q/r Carbonatos do grupo 2 são insolúveis em água.
Be2+ 0,59 3,4
Mg2+ 0,86 2,3
Ca2+ 1,14 1,8
Sr2+ 1,32 1,5
Ba2+ 1,49 1,3
Quanto maior a relação q/r maior a energia de rede e consequentemente menor a solubilidade.
Os carbonatos insolúveis em água se dissolvem com CO2.
Ex. CaCO3(s) + CO2 + H2O(l)  Ca(HCO3)2(aq)
insolúvel solúvel
Os carbonatos solúveis em água diminuem a solubilidadecom CO2.
Ex. K2CO3(aq) + CO2 + H2O(l)  2KHCO3(aq)
muito solúvel solúvel
Bicarbonatos (hidrogenocarbonatos) – HCO3­
de alcalinos terrosos  solúveis
de alcalinos  menos solúveis que os carbonatos
ESTABILIDADE TÉRMICA DOS CARBONATOS
Grupo 1 r(Å) q/r Carbonatos do grupo 1 fundem sem decompor
Li+ 0,90 1,1
Na+ 1,16 0,9
K+ 1,52 0,7
Rb+ 1,66 0,6
Cs+ 1,81 0,5
Grupo 2 r(Å) q/r Tdecomposição  MCO3 (ºC)
Be2+ 0,59 3,4 < 100
Mg2+ 0,86 2,3 540
Ca2+ 1,14 1,8 900
Sr2+ 1,32 1,5 1290
Ba2+ 1,49 1,3 1360
Quanto menor a relação q/r maior a estabilidade, pois maior a capacidade de polarização dos 
cátions.