Conhecido pelo homem pré-histórico sob as formas de carvão vegetal e negro-de-fumo (material empregado em pinturas de cavernas), o carbono se apresenta também em dois estados elementares cristalinos: como diamante, sua forma mais preciosa, e como grafita, empregada desde a antiguidade na fabricação de lápis. A maior importância do carbono, no entanto, vem do fato de toda matéria viva ser formada de combinações desse elemento.

Carbono é um elemento não-metálico, pertencente ao grupo IVa do sistema periódico, cujo símbolo químico é C e o número atômico, 6. Caracteriza-se por apresentar diferentes estados alotrópicos e participar de todas as substâncias orgânicas. Além das formas cristalinas — diamante e grafita —, os carbonos fósseis de vegetais constituem outra forma de carbono elementar que aparece na natureza, mesclado com outros elementos. Nesses casos, a proporção de carbono pode chegar à cerca de noventa por cento, como no antracito, o carvão fóssil de origem mais antiga. Os compostos minerais de carbono, como o calcário (carbonato de cálcio) e a magnesita (carbonato de magnésio), constituem cerca de 0,2% da crosta terrestre.

O petróleo e o gás natural são misturas de hidrocarbonetos — compostos orgânicos constituídos de carbono e hidrogênio — e formam grandes bolsas em alguns pontos do subsolo. Sua origem são os restos vegetais e animais de épocas geológicas remotas, que ficaram recobertos por estratos durante a evolução da crosta terrestre.

Propriedades físicas e químicas:

O diamante, incolor e transparente em estado puro, é o corpo natural mais duro que se conhece. Possui densidade de 3,5g/ml, elevado índice de refração e não conduz eletricidade. A grafita, negra e untuosa ao tato, apresenta uma estrutura em finas lâminas que se cristalizam segundo o sistema hexagonal (um dos sete modelos possíveis de formação de cristais), diferentemente do diamante, que se cristaliza no sistema cúbico. Além disso, a grafita é boa condutora de calor e de eletricidade. As variedades amorfas de carbono são de cor negra intensa e não condutoras.

As duas características químicas fundamentais do elemento são a tetravalência, em virtude da qual cada um de seus átomos pode unir-se com outros quatro, e sua capacidade de estabelecer ligações covalentes — de elétrons partilhados — entre os próprios átomos de carbono. Em conseqüência dessas propriedades, o número de compostos do carbono é vinte vezes superior ao das combinações que não contêm esse elemento.

Compostos orgânicos:

A maior parte dos compostos de carbono conhecidos são substâncias orgânicas, isto é, compostos de carbono e hidrogênio, este chamado elemento organizador. Na verdade, a criação dessa disciplina, separada da química inorgânica, é anterior a 1828, ano em que o alemão Friedrich Wöhler sintetizou a uréia em laboratório, derrubando a convicção de que as substâncias orgânicas só podem ser produzidas por organismos vivos.

Os compostos orgânicos e inorgânicos distinguem-se por suas propriedades, como a solubilidade e a estabilidade e, sobretudo, pelo caráter das reações químicas de que participam. Os processos reativos dos compostos inorgânicos são iônicos, praticamente instantâneos e simples. Nos compostos orgânicos esses processos são não-iônicos, lentos e complexos. Entende-se por reação iônica aquela em que intervêm átomos ou agregados atômicos com carga elétrica, seja positiva ou negativa.

As substâncias orgânicas contêm poucos elementos, em geral de dois a cinco. Além de carbono e hidrogênio, integram os compostos orgânicos o oxigênio, o nitrogênio, os halogênios, o enxofre e o fósforo. Outros elementos menos abundantes também fazem parte dos compostos orgânicos naturais ou preparados em laboratório.

Compostos inorgânicos:

Além dos mencionados compostos orgânicos, o carbono forma também compostos inorgânicos, entre os quais se destacam, por suas aplicações, o sulfeto de carbono (CS₂), empregado como matéria-prima na indústria têxtil para obtenção de fibras sintéticas; o carbeto de cálcio (CaC₂), primeiro elo de numerosos processos de síntese na indústria química; e o carboneto de silício (CSi), quase tão duro como o diamante, que faz parte dos componentes das pedras de afiar e esmeris utilizados para trabalhar metais.

Os óxidos de carbono mais importantes são o monóxido de carbono (CO) e o dióxido de carbono, ou gás carbônico (CO₂). O primeiro, que resulta da combustão de carbono ou compostos orgânicos carbonados, é um gás tóxico. O dióxido de carbono participa da composição da atmosfera e encontra-se também nos mananciais de águas gasosas.

Outro grupo de combinações carbonadas é constituído pelos sais de ácido carbônico, os carbonatos e os bicarbonatos, de grande solubilidade. Esses compostos se liquefazem à temperatura ambiente e conservam-se em estado líquido. Formam o chamado gelo seco (anidrido carbônico sólido), material utilizado em refrigeração e conservação, assim como no transporte de frutas.

Ciclo do carbono na natureza:

Os ciclos do carbono e do oxigênio na natureza são processos fundamentais na transformação constante das substâncias orgânicas que constituem a biosfera, ou seja, o ambiente em que se desenvolvem os fenômenos biológicos. Na primeira etapa do ciclo, a fotossíntese, as partes verdes das plantas absorvem o dióxido de carbono atmosférico e o fazem reagir com a água. Para isso, servem-se da luz solar e da presença de clorofila. Formam-se assim compostos de carbono complexos, que vão constituir a própria estrutura dos vegetais, com liberação de oxigênio. Esse gás, que passa ao ar, é utilizado na respiração de bactérias e animais, em que se registra o processo inverso — captação de oxigênio e desprendimento de dióxido de carbono — com o que se encerra o ciclo. O ciclo do carbono, com seus elementos de transformação — vegetação em geral — é extremamente importante porque, graças a ele, assegura-se a continuidade do equilíbrio ecológico vital. Tanto é assim que o dióxido de carbono presente na atmosfera de todo o globo se esgotaria em apenas 25 anos se não fosse recomposto pelos processos de respiração bacteriana e animal, que mantêm seus índices em níveis constantes e, em conseqüência, preservam as condições básicas para a vida na Terra.

Aplicações:

Os diamantes, sejam pedras incolores ou de matizes especiais, rosado, azul ou verde, são apreciados em joalheria. Se imperfeitos, como as pedras cinzentas ou negras, se empregam para lapidar ou polir outras pedras finas. Já a grafita é empregada para fabricar lápis, cadinhos e eletrodos, e também em galvanoplastia, procedimento eletroquímico para obtenção de objetos metálicos ocos.

Utilizam-se os diversos tipos de carvão como combustíveis e em centrais térmicas. A hulha betuminosa é fonte de produtos químicos, como amoníaco, fenol, benzeno e alcatrão, importantes matérias-primas no fabrico de corantes, plásticos e explosivos. O carvão vegetal, produto poroso obtido da destilação seca da madeira, além de combustível é também absorvente, e por isso muito utilizado em refinarias de açúcar e em máscaras contra gases, cujo filtro de carvão vegetal retém os gases tóxicos. O poder absorvente é menor no carvão animal ou carvão de ossos. A variedade de carvão conhecida como negro-de-fumo, que se obtém na combustão de gás natural, petróleo, alcatrão ou óleo, com quantidades limitadas de ar, é uma das variedades mais puras de carbono amorfo, já que contém cerca de 98,6% do elemento. Utiliza-se no fabrico de tinta de impressão, graxas e esmaltes negros.

O carbono tem também aplicação fundamental na siderurgia. Nas fundições é empregado em forma de coque, produto da combustão limitada de hulha, ou de carvão vegetal, como redutor na obtenção de ferro no alto-forno. Assim, o aço é ferro que contém proporções variáveis de carbono, capaz de endurecer ao resfriar-se rapidamente pelo processo conhecido como têmpera. Eliminam-se primeiro o excesso de carbono e outras impurezas do ferro de fundição, para depois acrescentar a proporção desejada de carbono e outros elementos.

Outra interessante utilização do carbono é a datação em geologia ou arqueologia. O átomo cujo núcleo tem seis prótons e seis nêutrons é conhecido como carbono 12. Na atmosfera terrestre encontra-se também o carbono 14, isótopo radiativo do carbono, cujo núcleo tem dois nêutrons a mais. O carbono 14 origina-se da ação da radioatividade cósmica. Como os seres vivos assimilam os elementos da atmosfera, contêm em seu organismo, enquanto vivem, uma proporção de carbono 14 igual à da atmosfera. Ao morrerem, deixam de trocar matéria com o meio e o carbono 14 começa a se desintegrar em seus restos, transformando-se em seu isótopo comum. Desse modo, ao fim de 5.600 anos, a proporção de carbono 14 fica reduzida à metade. Determinado o conteúdo de carbono 14 de um fóssil, pode-se calcular com relativa precisão de que época ele data. Esse método, porém, não é aplicável a antiguidades superiores a 25.000 anos, tempo de desintegração total do carbono 14.

As principais jazidas de diamantes encontram-se na África do Sul, Brasil, Venezuela e Índia. A grafita é mais dispersa: os maiores depósitos acham-se na Coréia, Alemanha, México, Áustria, República Tcheca, Sri Lanka e Madagascar. Quanto às bacias carboníferas, estão distribuídas desigualmente no mundo inteiro.