UNEB Medicina 2016/2
A descoberta dos fulerenos ocorreu em setembro de 1985 quando um grupo de cientistas famosos obtiveram uma série de estruturas químicas com 44 a 90 átomos de carbono, dentre elas a de maior concentração, com 60 atomos de carbono. O trabalho de pesquisa valeu à equipe o Prêmio Nobel de Química, em 1996. Aqueles cientistas buscavam compreender os mecanismos para a formação de longas cadeias de carbono observadas no espaço interestelar. Os buckminsterfulerenos, bucky-bolas, ou apenas os “fulerenos”, constituem uma vasta família de nanomoléculas aromáticas, simétricas, compostas por dezenas de átomos de carbono hibridizados, dispostos nos vértices de um icosaedro truncado, formado pela ligação das bordas de uma folha de grafeno. O representante mais conhecido e estável da família dos fulerenos é o C60, com 60 átomos de carbono dispostos na forma de um icosaedro com um diâmetro de, aproximadamente, 1 nanometro. A forma é a de uma cúpula geodésica composta por 20 hexágonos e 12 pentágonos, com um carbono em cada vértice. Os hexágonos mantêm a planaridade, como no grafite e no grafeno, enquanto cada pentágono inicia um ângulo de curvatura, sendo necessários 12 pentágonos para fechar a superfície sobre si mesma, formando uma bola. O fulereno, C70, assemelha-se a uma bola de futebol, com mais hexágonos, porém com o mesmo número de pentágonos. O fulereno é muito duro, por isso é colocado no alumínio. Devido à forma tridimensional, às ligações insaturadas e à estrutura eletrônica, os fulerenos apresentam propriedades físicas e químicas únicas, que podem ser exploradas em várias áreas da bioquímica e da medicina. Quando foram descobertos, especulou-se acerca da possibilidade de preparar fulerenos contendo átomos e moléculas no seu interior dando origem a outras nanoestruturas com propriedades químicas e físicas diferentes das simples “gaiolas vazias”. Alguns anos depois, foram descobertos fulerenos contendo átomos de metais, gases nobres e outros em seu interior. (A DESCOBERTA dos fulerenos,... 2016).
Os átomos de carbono hibridizados na forma sp3 formam o fulereno 60 mal condutor de energia, que pode conter no interior da estrutura cerca de 360 átomos de nitrogênios.
O volume ocupado por um átomo de alumínio no interior do fulereno 60 é, aproximadamente, 2,34% do volume da estrutura esférica da entidade.
O fulereno 60 é uma substância simples formada por átomos do elemento químico carbono, semelhante ao grafeno.
Os fulerenos são macromoléculas apolares, solúveis em água, do tamanho de átomos de hélio.
Resolução
Resolução passo a passo
O enunciado descreve o fulereno C60: uma molécula esférica, somente com átomos de carbono, diâmetro ≈ 1 nm (raio ≈ 0,5 nm ou 500 pm) e todos os carbonos em hibridação sp2 (semelhante ao grafeno).
A seguir avaliamos cada alternativa.
Alternativa A
- Afirma hibridização sp3 – incorreto; no C60 cada C faz 3 ligações σ (sp2) mais um orbital π deslocalizado.
- Diz que cabem 360 átomos de N dentro da "gaiola" – fisicamente impossível pelo tamanho da cavidade (caberia, no máximo, um único átomo ou íon pequeno).
Alternativa B
Vamos comparar volumes supondo a esfera de raio 500 pm:
\[\frac{V_{Al}}{V_{C_{60}}}=\left(\frac{r_{Al}}{r_{C_{60}}}\right)^3 = \left(\frac{142}{500}\right)^3 \approx 0{,}0229 = 2{,}29\%\]
A alternativa traz 2,34 %. O valor parece coerente, mas há dois problemas:
- O raio de 500 pm é o raio externo da molécula; a cavidade interna é menor, portanto a razão real é maior que 2,3 %.
- Ignora-se também a espessura da "parede" (carbonos ocupam parte do volume).
Logo, a assertiva é considerada incorreta.
Alternativa C
O item C (figura) aponta uma reação de nitração (ataque de NO2+) alegando que não ocorre com fulerenos. Experimentos mostram que fulerenos sofrem diversas adições eletrofílicas (inclusive com NO2+) – ou seja, a ideia generalizada de não reagem
é falsa. Portanto, errada.
Alternativa D
Declara que o fulereno C60 é uma substância simples constituída apenas por carbono, lembrando o grafeno (ambos possuem C sp2). A proposição está totalmente correta.
Alternativa E
- Fulerenos são praticamente apolares, porém insolúveis em água (solúveis em solventes orgânicos como tolueno).
- Seu diâmetro (~1 nm) é muito maior que o de um átomo de hélio (raio 120 pm = 0,12 nm).
Portanto, apenas a alternativa D está correta.
Dicas
Erros Comuns
- Substância simples: formada por átomos de um único elemento químico (ex.: O2, C60).
- Hibridação sp2: 3 orbitais σ coplanares (120°) + 1 π deslocalizado; típica de grafeno/grafite e fulerenos.
- Volume de esfera: \(V=\tfrac{4\pi r^{3}}{3}\).
- Nanomateriais de carbono: grafeno (plano), nanotubos (cilíndrico) e fulerenos (esféricos) – todos com redes hexagonais de C sp2, pentágonos introduzem curvatura.
