Materiais carbonicos

1. Materiais carbônicos

O carbono é o primeiro elemento da coluna 14 (IV-A) da tabela periódica e possui as seguintes características básicas: raio atômico médio de ; energia de ionização igual a ; o comprimento da ligação C-C é da ordem de 1,54 Å, com energia de ligação próxima de ; por fim, o carbono apresenta número atômico seis, o que implica na seguinte distribuição eletrônica: . Os elétrons que ocupam o orbital atômico  estão mais fortemente ligados ao núcleo, enquanto aqueles que estão nos orbitais  estão mais fracamente ligados ao mesmo. [pic 1][pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

O carbono sofre um fenômeno conhecido como hibridização, que é o processo de formação de orbitais eletrônicos híbridos. No carbono os orbitais dos subníveis atômicos s e p se misturam, dando origem a orbitais híbridos ,e  que ocorrem das seguintes formas 8:[pic 7][pic 8][pic 9]

• A hibridização sp3: ocorre quando existe a formação de quatro ligações covalentes do tipo σ, essas ligações são fortes e ocorre em cristais de diamante, com ângulos entre átomos vizinhos de aproximadamente 109° 28’.
• A hibridização sp2: ocorre quando três das quatro ligações covalentes são do tipo σ, e a outra do tipo π, esta hibridização ocorre no grafite com ângulo entre os eixos de aproximadamente 120°.
• A hibridização sp: ocorre quando duas ligações são do tipo σ e duas ligações são tipo π,  que ocorre em compostos carbono-carbono com ângulos de ligação entre si de 180°.

A Figura 1 apresenta a estrutura dos orbitais eletrônicos para esses 3 tipos de hibridizações do carbono.

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Figure 1 Orbitais eletrônicos dos estados híbridos sp³, sp² e sp do carbono9.

Do ponto de vista geométrico, os orbitais se distribuem de forma que exista a maior simetria possível, a alta simetria entre os orbitais moleculares diminui, por exemplo, a possibilidade de distorções (tensões) nas ligações, o que implicaria numa instabilidade da molécula como um todo. O estado de mais baixa energia é atingido quando a condição de simetria é obtida.

Devido as possíveis hibridizações dos orbitais, o carbono pode ter várias formas polimórficas estáveis como o grafite, o diamante, os fulerenos e os nanotubos. Todas essas formas alotrópicas do carbono têm uma estrutura cristalina bem definida. Na Figura 2 esta representada as formas estruturais a qual se pode encontrar o carbono.

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Figure 2 Formas alótropas do carbono (a)diamante, (b)grafite, (c) Lonsdaleite, (d) fulereno (C60), (e)C540, (f) C70, (g) carbono amorfo (h) nanotubo de carbono 10.

1. Grafite

O grafite pode ser natural ou sintético. O grafite natural é uma das formas alótropas do carbono encontradas na natureza, já o sintético é produzido industrialmente com uso de altas temperaturas, pressão e matérias primas tais como o coque de petróleo ou a antracita 11.

O grafite natural pode ser encontrado em mais de uma forma na natureza, a microcristalina conhecida comercialmente como "grafite amorfo" e a forma cristalina conhecida como grafite cristalino. O grafite cristalino pode ser do tipo "floco" (flake) ou grafite de veio (lump) que se apresenta em pedras de alta concentração, sendo esta uma forma mais rara produzida somente na África. Esses tipos são definidos com base nas características físicas que por sua vez resultam das diferenças na origem geológica e na ocorrência. Geralmente no minério grafítico encontram-se uma grande variedade de minerais silicatos. Na Figura 3 é apresentado em esquema hierárquico do vários tipos de grafite 11.

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Figure 3 Tipos de grafite

1. Estrutura cristalina

O grafite natural cristalino é formado por anéis hexagonais de átomos de carbono ligados covalentemente de modo planar na hibridização , formando lâminas que se mantêm juntas por forças de atração mútua. Essas lâminas são denominadas grafeno e se sobrepõem umas às outras, permitindo uma espécie de deslizamento ou deslocamento dos planos. Isso explica por que o grafite possui pouca dureza, pois essa propriedade facilita o desgaste do sólido. Em virtude dessa propriedade, o grafite é usado como lubrificante em engrenagens e rolamentos. A Figura 4 mostra a estrutura lamelar do grafite [pic 13]

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Figure 4 Estrutura do grafite 12.

Os primeiros estudos com o grafite datam de 1840 quando o alemão Schafhaeutl produziu um grafite intercalado e esfoliado com ácido sulfúrico e ácido nítrico. Nestes experimentos, a estrutura do grafite é mantida, porém o espaçamento entre as lamelas é maior 13. Desde então, toda uma ciência do grafite se desenvolveu e, portanto foram necessários estudos teóricos sobre estrutura e propriedades do grafeno para obter melhor entendimento do comportamento e propriedades do grafite.

1. Grafeno

Em 2004, Andre Geim e Konstantin Novoselov obtiveram pela primeira vez monocamadas isoladas de grafeno através da esfoliação (ou clivagem) micromecânica de um cristal de grafite pirolítico altamente orientado (HOPG) 14 

O grafeno é um cristal bidimensional com a espessura monoatômica, formado exclusivamente por átomos de carbono com hibridização , ligados entre si em hexágonos perfeitos, em uma estrutura similar a de uma colmeia 15. A Figura 5 ilustra a estrutura do grafeno.[pic 15]

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Figure 5 Estrutura do grafeno 16.

Na estrutura do grafeno o confinamento dos elétrons em duas dimensões, devido ao longo sistema  conjugado, confere propriedades excepcionais 15 como, por exemplo, altos valores de área superficial específica (2630 m2/g) 17, alta mobilidade de portadores de carga (superior à 2 105 cm2 /(Vs) cm2/vg, em temperatura ambiente) 17; 18; 19, alta dureza (módulo de Young da ordem de 1TPa) 17; 20, alta condutividade térmica (da ordem de 5,30 103 W/mK) 17; 21, alta condutividade elétrica e alta transmitância ótica (acima de 97,7%) 17, entre outras. A fonte mais abundante e de baixo custo para sua obtenção é o grafite natural, o qual consiste em folhas de grafeno empacotadas, unidas por forças de Van der Walls. [pic 17]