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Carvão, Carbono e Grafite

Carbono - C


  • Origem:
  • O carbono encontra-se no estado sólido na natureza, ele é um não-metal pertencente ao grupo 14 da tabela periódica. É encontrado de três formas na crosta terrestre sendo elas: diamante, grafite e carvão amorfo.
  • O grafite corresponde a uma das três formas alotrópicas do carbono. As outras são o carbono amorfo e o diamante. Cristaliza-se no sistema hexagonal regular com simetria rômbica. Em geral, seus cristais são tubulares, de contorno hexagonal e plano basal bem desenvolvido. A grafita apresenta-se, habitualmente, sob a forma de massas laminadas ou escamosas, radiadas ou granulosas.
  • O carvão mineral é formado pela decomposição da matéria orgânica (como restos de árvores e plantas) durante milhões de anos, sob determinadas condições de temperatura e pressão. É composto por átomos de carbono, oxigênio, nitrogênio, enxofre, associados a outros elementos rochosos (como arenito,

siltito, folhelhos e diamictitos) e minerais, como a pirita. No carvão mineral, o poder calorífico e a incidência de impurezas variam, o que determina a subdivisão do minério nas categorias: baixa qualidade (linhito e sub-betuminoso) e alta qualidade (ou hulha, subdividida nos tipos betuminoso e antracito).

  • Condutividade:
  • O grafite apresenta uma boa condutividade elétrica, os átomos estão organizados como hexágonos, a semelhança dos favos numa colmeia, onde cada átomo de carbono ocupa um vértice. Como nesta estrutura cada carbono se liga a outros três átomos, "sobra" uma ligação para cada átomo. Estes elétrons formam uma grande ligação "deslocalizada" entre os átomos de carbono, semelhante à ligação metálica.
  • Já o carvão mineral não apresenta uma boa condutibilidade elétrica. Entretanto quando é aquecido a temperaturas superiores a 3000 graus Celsius ele apresenta uma matriz semelhante a do grafite e passa a conduzir corrente.
  • A condutividade térmica de ambos e mediana, sendo a condutividade térmica do diamante a melhor entre os alótropos do carbono.
  • Resistividade:
  • O grafite é um minério mole e se desgasta facilmente não suporta grandes pressões, entretanto devido ao alto ponto de fusão é utilizado e, indústrias e sistemas com elevada temperatura.
  • O carvão mineral também não e muito resistente apesar de ser mais duro que o grafite. Entretanto O carvão mineral em seu último estágio de pressão (Antrácito) apresenta uma elevada dureza.
  • Coloração:
  • O grafite apresenta a coloração preto metálico e um brilho metálico sólido.
  • O carvão mineral pode apresentar as cores preta ou marrom dependendo da sua pureza.
  • Danos a saúde:
  • O carbono apresenta dano a saúde humana quando está associado a uma molécula de oxigênio formando assim o monóxido de carbono (CO). No corpo humano o CO se liga a hemoglobina formando uma reação estável chamada de carboxihemoglobina que impede a ligação da hemoglobina com o oxigênio (O²) promovendo assim a asfixia do indivíduo.
  • O carvão pode apresenta perigo a saúde principalmente quando ocorre uma combustão incompleta que gera o monóxido de carbono cujos efeito foram citados acima.
  • O grafite pode ser perigoso a saúde quando for inalado em sua forma de pó que afeta diretamente o pulmão causando uma doença chamada de pneumoconiose , que consiste na fibrose do tecido pulmonar . Essa doença afeta principalmente mineradores, metalúrgicos, etc.
  • Disponibilidade:
  • O carbono É encontrado em abundância no sol, nas estrelas, nos cometas e na atmosfera da maioria dos planetas. Carbono, na forma de diamantes microscópicos, foi encontrado em alguns meteoritos.
  • Na Terra, em forma livre ou em compostos, carbono está presente na atmosfera, em diversos minerais rochosos, no carvão mineral, no petróleo e gás natural, nos seres vivos, etc. Estima-se que representa cerca de 0,032% da crosta terrestre.
  • A China possui as maiores jazidas de carvão do mundo, enquanto o Brasil possui a maior reserva de grafite do mundo (Pedra Azul - 300 milhões de toneladas )
  • Permeabilidade:
  • O grafite devido a sua composição molecular densa não é permeável.
  • O carvão mineral natural não possui muita permeabilidade, entretanto quando é tratado com oxigênio (tornado-se o chamado carvão ativo) é utilizado como filtro, possui pequenos poros que permitem a passagem da água e impedem a passagem de impurezas.


Aplicações


  • Carbono:
  • Uma das principais aplicações do carbono é para uso industrial, como componente de hidrocarbonetos (composto químico formado por átomos de carbono e hidrogênio) para a produção de combustíveis como o gás natural e o petróleo.

  • Outra aplicação muito importante do carbono são as fibras de carbono que consiste num composto filamentoso, obtido a partir de vários tipos de materiais compostos de carbono através da decomposição térmica também conhecida como pirólise, contendo pequenas quantidades de materiais inseridos em sua estrutura, como resinas por exemplo, onde são convertidos, acima de 800 ºC, em um material carbonoso sólido. Em virtude de sua resistência e baixa densidade é utilizada na fabricação naves espaciais, na indústria, de automóveis, entre outros.

  • Grafite:
  • O grafite é uma substância única, sendo um não-metal e ainda sim um excelente condutor de calor e eletricidade. Uma das aplicações mais comuns para o grafite é em pilhas alcalinas, onde é usado para produzir os cátodos da pilha.

  • O grafite é um ótimo lubrificante em estado sólido em forma de pó, quando este se mistura com vapor de agua torna se oleoso permitindo um bom deslizamento dos materiais onde é aplicado.

  • Uma das mais conhecidas e utilizadas formas do grafite é o grafite em lápis ou lapiseiras, isso ocorre quando o mesmo é misturado com argila, a quantidade de argila empregada define a maciez do grafite.

  • Carvão:
  • O carvão mineral é utilizado tanto para gerar energia elétrica em usinas termelétricas quanto como matéria-prima para produzir aço e ferro nas siderúrgicas. Os altos-fornos dessas indústrias exigem um carvão mineral de alta qualidade, com elevada concentração de carbono, ou seja, um carvão com alto poder calorífero (que produz muito calor, muita energia). A partir do carvão também pode-se obter gás de uso doméstico (gás de rua), além de ser utilizado na indústria química.

  • O carvão em sua forma "ativa" pode ser usado em filtros para eliminação de impurezas.

Engenharia Elétrica

  • Carvão:
  • O carvão é um dos principais combustível para as Usinas termoelétricas, devido a sua capacidade de fornecer uma combustão com altas temperaturas e muito durável.
  • Uma usina termelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de um processo que consiste em três etapas.
 Nas usinas térmicas convencionais, a primeira etapa consiste na queima de um combustível fóssil, como carvão, óleo ou gás, transformando a água em vapor com o calor gerado na caldeira.
 A segunda consiste na utilização deste vapor, em alta pressão, para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico.
 Na terceira etapa, o vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia térmica para um circuito independente de refrigeração, retornando a água à caldeira, completando o ciclo.

  • Grafite:
  • O grafite pode ser aplicado na parte elétrica em cátodos de pilhas, escovas de motor elétrico e eletrodos de lâmpadas de arco voltaico.
  • Isso se deve pelo fato do grafite apresentar uma boa condutividade elétrica e um alto ponto de fusão, sendo assim muito bem aproveitado em circuito quando utilizado na forma de eletrodos.

Ligas


  • O carbono e outros elementos químicos agem com o agente de resistência em suas ligas, ele age a fim manter o material em sua forma cristalina.
  • A principal liga do carbono é com o ferro formando assim o aço.

Curiosidades


  • O papel do carvão na história: Revolução Industrial;
  • Utilização do carbono 14 para determinar a idade óssea de fósseis;
  • É possível produzir diamantes artificiais através do grafite;
  • Grafeno: Um novo material que está sendo desenvolvido derivado do grafite que apresenta características bem interessantes:
•É maleável, impermeável, e translúcido, mais resistente que o diamante e excelente condutor elétrico.
•O grafeno é quarenta vezes mais forte que o aço.
•O grafeno é um condutor elétrico 100 vezes mais eficiente que o cobre.
•http://olhardigital.uol.com.br/video/36814/36814


Resumo


  • O carbono é um elemento de número atômico 6 e se encontra na família 14 da tabela periódica. Tendo como característica muito importante a capacidade de formas grandes cadeias através de suas ligações.


  • As principais utilizações do carbono são relacionadas a maleabilidade, dureza , alto ponto de fusão e ebulição e a alta energia de combustão dos derivados deste elemento.


  • Dependendo das condições de formação o carbono pode ser encontrado na natureza em diversas formas alotrópicas: carbono amorfo e cristalino em forma de grafite ou de diamante. O diamante não é condutor de eletricidade.


  • O grafite é muito mais denso, melhor condutor de eletricidade, um tanto oleoso e menos sensível aos agentes químicos que os carbonos amorfos. Enquanto as propriedades do grafite são bem definidas, as dos carbonos amorfos dependem da sua origem e das condições de formação.


  • O grafite pode ser natural ou sintético. O natural ocorre na natureza e, na maioria das vezes, necessita de purificação e classificação granulométrica para ser utilizado comercialmente. O sintético é produzido a partir de outras formas de carbono como coque e antracita (forma amorfa do carvão, caracterizada pelo agrupamento caótico e aleatório dos seus átomos). Estes materiais são reduzidos a pó e compactados, às vezes com a presença de aglomerantes.


  • Posteriormente são submetidos a altas temperaturas (em torno de 2200ºC), geralmente através da passagem de corrente elétrica. Este processo recebe o nome de grafitização. Ao produto assim obtido dá-se habitualmente o nome de carvão eletrografítico.


  • O grafite e o carvão eletrografítico são muito utilizados na tecnologia de resistores, de potenciômetros de carvão e na produção de eletrodos para fornos elétricos. Eles apresentam propriedades lubrificantes, pois oferecem um baixo coeficiente de atrito em contatos de peças deslizantes. Desta forma são utilizados como comutadores em escovas coletoras de motores.


  • Comparativamente com os de carvão amorfo, os eletrodos de carvão eletrografítico apresentam o seguinte conjunto de vantagens:
    • têm maior condutibilidade, o que reduz as perdas por efeito Joule e permite maiores densidades de corrente;
    • têm menor suscetibilidade às ações químicas, queimando-se e desagregando-se menos;
    • são mais puros, nomeadamente nos teores de ferro, silício e enxofre.


  • Em contrapartida, têm menor condutibilidade térmica, pelo que dão lugar a maiores perdas e são mais caros. O problema das impurezas é importante, pois vão influir na qualidade dos produtos fundidos, e daí as precauções necessárias na seleção dos eletrodos, especialmente nos de carvão amorfo.


  • Outro problema é o da ligação elétrica dos eletrodos, a qual exige precauções e técnica adequada por forma a manter sua continuidade.


Referência bibliográfica


  • Schaivinni, Fabiane - Recursos Minerais, Aburatã-SC , 2008
  • G.Hernández, Jesús - Propriedades Estruturais e Elétricas dos Carvões Minerais Brasileiros - UEC
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