Professor Carlos James
Ciências da Natureza e
Suas Tecnologias
Química
nº
27
O QUE É GRAFENO? (NOBEL 2010)
0,142 nm
Material promissor para diversas aplicações práticas é alótropo do carbono.
A Academia Real Sueca de Ciências escolheu como vencendores
do Prêmio Nobel de Física 2010 dois cientistas nascidos na Rússia e
que trabalham na Universidade de Manchester, Inglaterra. Andre Geim e
Konstantin Novoselov foram escolhidos pelo sucesso obtido na produção,
isolamento, identificação e caracterização do grafeno.
Essa variedade alotrópica do carbono é constituída de uma
monocamada de átomos do elemento ligados em arranjo hexagonal.
De fato, o grafeno nada mais é do que uma das inúmeras camadas
que constituem a grafite. Um cristal de grafite com 1 mm de espessura
consiste de três milhões de camadas de grafeno sobrepostas, unidas
por interações intermoleculares. Embora filmes com a espessura de cem
camadas tivessem sido isolados anteriormente, acreditava-se que uma
única camada não poderia ser produzida ou isolada.
No artigo de 2004 na revista Science, Geim e Novoselov revelaram
que tal camada podia ser isolada em quantidade suficiente para verificar
suas propriedades e era estável. Em uma das etapas do trabalho, eles
utilizaram fita adesiva para remover camadas de grafeno de cristais
de grafite. Segundo comunicado da Academia, o grafeno é “o primeiro
material cristalino verdadeiramente bidimensional e é representativo de
toda uma classe de materiais 2D que inclui, por exemplo, monocamadas
de nitreto de boro (BN) e de dissulfeto de molibdênio (MoS2), ambos
produzidos após 2004”.
Camadas de 70 cm de largura de grafeno já foram obtidas. O material
apresenta propriedades interessantes. É praticamente transparente;
deixa passar 97,7% da luz visível. É mais resistente que uma amostra
de aço de mesma dimensão e estica até 20% sem romper. Uma rede
hipotética de 1 m2 do material teria apenas 0,77 mg e, estendida,
suportaria um objeto de 4 kg. (O comunicado da Academia foi ilustrado
com uma rede de dormir feita de grafeno, como um gato sobre ela.)
O grafeno conduz calor e corrente elétrica melhor que o cobre, o que
pode ser atribuído aos elétrons deslocalizados – o alótropo pode ser
encarado como constituído de muitos anéis benzênicos condensados,
nos quais há ressonância.
O novo material tem aplicações promissoras. É um condutor
transparente, flexível e mecanicamente resistente, que poderia ser
usado em telas ultrafinas, flexíveis e sensíveis ao toque para tevê,
computadores, celulares e livros digitais. Transistores de grafeno seriam
mais rápidos que os de silício (um protótipo já foi construído) e chips com
maior capacidade de processamento poderiam ser fabricados.
É a segunda vez que a produção e a caracterização de um novo
alótropo do carbono rendeu o Nobel. Em 1996, o prêmio de Química foi
conferido a três cientistas pela descoberta e pelo estudo dos fulerenos.
Andre Geim já ocupou as manchetes por uma “honraria” menos digna
de orgulho. Em 2000, foi agraciado com o Ig Nobel (para “pesquisas que
fazem as pessoas rirem e, então, pensarem”) por ter levitado um sapo
empregando campos magnéticos intensos. Geim é o primeiro indivíduo a
conquistar ambos os prêmios.
0,123 nm
grafeno
Exercícios
1. Por meio de métodos experimentais, foram medidas as distâncias
médias entre os átomos de carbono em suas variedades alotrópicas
e os resultados obtidos foram:
Diamante
0,178 · 10–9 m
Grafite
0,226 · 10–9 m
Fulereno
0,207 · 10–9 m
Com base nessa informação e sabendo que:
Massa molar do carbono = 12 g/mol
1 quilate = 200 mg
Podemos afirmar:
I. A ordem decrescente das densidades dessas variedades
alotrópicas é:
diamante > fulereno > grafite;
II. Um cristal de diamante e um cristal de grafite de mesmo
volume têm igual número de átomos de carbono;
III. Um diamante de 6 quilates contém 0,1 mol de átomos de
carbono.
Estão corretas as afirmações:
A) I, II e III.
B) I e II, somente.
C) I e III, somente.
D) II e III, somente.
E) II, somente.
2. Há alguns anos, foi confirmada a existência de uma nova
variedade alotrópica do carbono, além da grafita e do diamante,
denominada buckminsterfullerene (ou simplesmente buckball),
em homenagem ao arquiteto americano Buckminster Fuller,
criador da estrutura geodésica. Sobre esse assunto, é incorreto
afirmar:
Ciências da Natureza e
Suas Tecnologias
A) Se a grafita e o diamante reagem com o oxigênio formando gás
carbônico, podemos prever que buckminsterfullerene também
irá reagir com o oxigênio formando gás carbônico.
B) As propriedades físicas do buckminsterfullerene com certeza
são diferentes das do diamante e da grafita.
C) O buckminsterfullerene é constituído do mesmo elemento
químico que a grafita e o diamante.
D) A energia envolvida numa reação específica feita com duas ou
mais formas alotrópicas diferentes (como grafita e diamante) é
exatamente a mesma.
E) A queima de certa massa de buckminsterfullerene pode liberar
uma energia maior ou menor que a queima da mesma massa de
grafita ou diamante.
3.
MULHER FAZ DIAMANTE DE CINZA DO MARIDO
Pedra é a primeira que chega ao Brasil.
A aposentada Leroy Gaspar da Silva, de 73 anos, de Curitiba
(PR), carrega desde ontem um diamante de 0,25 quilate –
4,1 milímetros de diâmetro – feito com as cinzas do marido, o militar
da reserva Jorge Gaspar da Silva, falecido em 1994. Esse é o primeiro
diamante que chega ao Brasil produzido com cinzas de uma pessoa,
segundo a sócia-diretora do crematório Vaticano, Mylena Cooper.
A técnica
Produzir diamantes com a cristalização do carbono é uma
técnica desenvolvida há mais de 50 anos nos Estados Unidos.
Mas, quando são usadas cinzas humanas, é necessário um método
especial – o potássio e o cálcio (cerca de 85% do volume da cinza)
são extraídos por um processo físico-químico. O carbono resultante
é submetido a sessões de altíssima pressão e a temperaturas
de até 1.500 ºC – imitando o que ocorre na crosta terrestre –,
transformando-se em grafita. Depois é introduzido um pequeno
cristal e, em volta dele, novos cristais começam a se formar.
O tamanho do diamante depende do tempo de crescimento.
4. Considere que sejam feitas as seguintes afirmações a respeito
das formas cristalinas do carbono.
I. São formas polimórficas do carbono: diamante, grafite,
grafeno, nanotubo e fulerenos;
II. O monocristal de grafite é bom condutor de corrente elétrica
em uma direção, mas não o é na direção perpendicular à
mesma;
III. O diamante é uma forma polimórfica metaestável do
carbono nas condições normais de temperatura e pressão;
IV. No grafite, as ligações químicas entre os átomos de carbono
são tetraédricas.
Então, das afirmações acima, está(ão) correta(s):
A) apenas I, II e III.
B) apenas I e III.
C) apenas II e IV.
D) apenas IV.
E) todas.
5. O grafeno é uma forma alotrópica de carbono, assim como
o diamante, a grafita e o fulereno. Os cientistas Konstantin
Novoselov e Andre Geim foram agraciados com o prêmio Nobel,
em 2010, pelos estudos revolucionários com o grafeno. Este
é praticamente transparente e um ótimo condutor de calor, o
que o torna muito útil para a produção de telas táteis e painéis
luminosos. A alternativa que resume corretamente a principal
diferença entre as formas alotrópicas de carbono é:
A) a maneira como os átomos de carbono ficam organizados nas
moléculas, ou seja, o rearranjo de átomos.
B) a estereoisomeria.
C) o tipo de ligação química existente entre os átomos de carbono.
D) o tipo de hibridação existente entre os átomos de carbono.
E) as ligações químicas entre os átomos de carbono e outros não
metais.
O Estado de S. Paulo, 10/07/2009.
Baseando-se no texto e em seus conhecimentos, analise as
afirmações.
I. Na técnica de produção de diamante apresentada, ocorrem
fenômenos físicos e químicos;
II. Pode-se concluir que o diamante apresenta maior conteúdo
energético (kJ/g) que a grafita;
III. O diamante e a grafita são constituídos por átomos de um
mesmo elemento químico;
IV. O diamante e a grafita são substâncias simples formadas
por átomos de número atômico diferente;
V. Alotropia é a propriedade de um mesmo elemento químico
de formar mais de uma substância simples. Conclui-se,
então, que o diamante e a grafita são variedades ou formas
alotrópicas do elemento carbono.
São corretas somente:
A) I, II e III
B) III, IV e V
C) I, III e V
D) I, II, III e IV
E) I, II, III e V
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FB NO ENEM
FB no Enem – Nº 26 – Professor: Beto Aquino
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5
D
C
D
A
E
OSG.: 62889/12 – 16/08/12
Dig.: André – Rev.: Tony