Diamante, grafite e grafeno
Uma joia de diamante e a mina de um lápis são feitas do mesmo elemento: o carbono. Como é possível uma ser a substância natural mais dura que se conhece e a outra deixar um risco no papel só de a deslizares? A resposta está na forma como os átomos de carbono se ligam uns aos outros.
Um elemento, várias substâncias
O carbono tem 4 eletrões de valência (distribuição eletrónica 2, 4). Pela regra do octeto, cada átomo tende a ficar com 8 eletrões na camada de valência; para isso, partilha os 4 eletrões que lhe faltam, formando 4 ligações covalentes.
Quando os átomos de carbono se ligam apenas entre si, podem organizar-se de maneiras diferentes. Cada organização origina uma substância com propriedades próprias.
O diamante, a grafite e o grafeno são formas alotrópicas do carbono.
Nestas substâncias não existem moléculas pequenas e separadas. Os átomos ligam-se por ligações covalentes numa rede que se repete em todas as direções (diamante) ou em camadas (grafite e grafeno). Por isso se chamam substâncias covalentes em rede, ao contrário das substâncias moleculares, como a água ou o dióxido de carbono, formadas por moléculas pequenas.
O diamante e a grafite são substâncias formadas apenas por átomos de carbono, mas com estruturas muito diferentes, representadas na figura pelos modelos A e B. a) Conta…
O diamante e a grafite são substâncias formadas apenas por átomos de carbono, mas com estruturas muito diferentes, representadas na figura pelos modelos A e B.
- a) Conta o número de ligações que cada átomo de carbono estabelece com os vizinhos mais próximos na estrutura A e na estrutura B.
- b) Identifica qual das estruturas corresponde ao diamante e qual corresponde à grafite, justificando a escolha.
- c) O diamante é o mineral natural mais duro que se conhece, enquanto a grafite é macia e desfaz-se em camadas. Explica estas diferenças a partir das duas estruturas.
- d) A grafite conduz corrente elétrica, ao contrário do diamante. Relaciona esta propriedade com o facto de, na grafite, cada átomo de carbono estabelecer apenas três ligações covalentes.
Diamante: uma rede em três dimensões
No diamante, cada átomo de carbono está ligado a 4 outros átomos, por ligações covalentes simples, dispostas no espaço em forma de tetraedro. A rede estende-se nas três direções.
Como todos os átomos estão presos por ligações covalentes fortes em todas as direções:
-
é muito duro (riscar o diamante implica quebrar muitas ligações);
-
tem temperatura de fusão muito elevada;
-
não conduz a corrente elétrica, porque todos os eletrões de valência estão envolvidos nas ligações e nenhum se pode mover livremente.
Grafite: camadas que deslizam
Na grafite, cada átomo de carbono liga-se a 3 outros por ligações covalentes, formando camadas planas de anéis hexagonais. Entre camadas, as forças são muito fracas.
Daqui resulta:
-
é macia e «desfaz-se» em camadas, que deslizam umas sobre as outras (é por isso que a mina do lápis deixa traço no papel);
-
cada átomo usa só 3 dos 4 eletrões de valência em ligações; o quarto eletrão fica deslocalizado e move-se ao longo da camada, pelo que a grafite conduz a corrente elétrica.
| Diamante | Grafite | |
|---|---|---|
| Ligações por átomo | 4 | 3 |
| Estrutura | rede tridimensional | camadas planas |
| Dureza | muito duro | macia |
| Condutibilidade elétrica | não conduz | conduz |
Grafeno: uma camada só
O grafeno é uma única camada de grafite: uma folha de átomos de carbono com a espessura de um só átomo, em anéis hexagonais. Cada átomo estabelece 3 ligações covalentes, tal como na grafite. Foi isolado pela primeira vez em 2004 e é estudado em laboratórios de todo o mundo, incluindo o INL, em Braga.
As suas propriedades explicam-se pela estrutura:
-
muito resistente (cerca de 200 vezes mais resistente do que o aço), porque a rede de ligações covalentes no plano é muito forte;
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bom condutor elétrico, porque tem um eletrão deslocalizado por átomo;
-
quase transparente e muito fino, porque é uma camada com um só átomo de espessura.
O grafeno é uma camada única de átomos de carbono, com a espessura de um só átomo, obtida a partir da grafite. Foi isolado pela primeira vez em 2004 e, desde então, é…
O grafeno é uma camada única de átomos de carbono, com a espessura de um só átomo, obtida a partir da grafite. Foi isolado pela primeira vez em 2004 e, desde então, é estudado em todo o mundo — em Portugal, por exemplo, no Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL), em Braga.
- a) A estrutura do grafeno corresponde, em essência, a uma única camada da estrutura da grafite. Quantas ligações covalentes estabelece cada átomo de carbono no grafeno?
- b) O grafeno é cerca de 200 vezes mais resistente do que o aço, conduz muito bem a corrente elétrica e é quase transparente. Relaciona cada uma destas propriedades com a sua estrutura.
- c) Indica uma aplicação possível do grafeno num telemóvel e justifica-a com uma das propriedades referidas.
- d) Explica por que razão o grafeno é considerado um nanomaterial.