Carbonio

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Carbonio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Diamante (a sinistra) e grafite (a destra)
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico carbonio, C, 6
Serie non metalli
Gruppo, periodo, blocco 14 (IVA), 2, p
Densità 2 267 kg/m³
Durezza 0,5 (grafite)
10,0 (diamante)
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 12,0107 u.m.a.
Raggio atomico (calc.) 70 pm
Raggio covalente 77 pm
Raggio di van der Waals 170 pm
Configurazione elettronica [He]2s22p2
e per livello energetico 2, 4
Stati di ossidazione 4, 3[1], 2, 1[2], 0, −1, −2, −3, −4[3]
Struttura cristallina esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia solido (non magnetico)
Punto di fusione 3 773 K (3499,85 °C)
Punto di ebollizione 5 100 K (4 826,85 °C)
Volume molare 5,29 × 10−6  m³/mol
Entalpia di vaporizzazione 355,8 kJ/mol
Calore di fusione sublima
Tensione di vapore Pa
Velocità del suono 18 350 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-44-0
Elettronegatività 2,55 (scala di Pauling)
Calore specifico 710 J/(kg K)
Conducibilità elettrica 0,061 × 10−6  /m ohm
Conducibilità termica 129 W/(m K)
Energia di prima ionizzazione 1086,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 2 352,6 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 4 620,5 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 6 222,7 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione 37 831 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione 47 277 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
12C 98,9% È stabile con 6 neutroni
13C 1,1% È stabile con 7 neutroni
14C tracce 5 730 anni β 0,156 14N
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il carbonio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo C e come numero atomico 6. È un elemento non metallico, tetravalente. L'atomo di carbonio nei composti con altri elementi o con sé stesso può presentarsi in una delle tre note forme di ibridizzazione (secondo la teoria degli orbitali atomici LCAO): sp3, sp2 ed sp rispettivamente. Con esse il carbonio è in grado di coordinare rispettivamente altri 4, 3 e 2 atomi con angoli di legame approssimativamente di 109,5°, 120° e 180°. A seconda poi della simmetria delle autofunzioni molecolari complessive delle coppie di atomi che partecipano al legame, si avranno legami singoli, doppi o tripli.

Il carbonio ha molte forme allotropiche standard più una forma allotropica esotica:

  • diamante (ibridizzazione sp3, durissimo, 10 nella scala di Mohs con un modulo di 442 GPa);
  • grafite (ibridizzazione sp2, una delle sostanze più morbide, 1-2 nella scala di Mohs);
  • fullerite (fullereni, e nanotubi di carbonio ibridizzazione sp, molecole di scala nanometrica, cave con superficie grafitica);
  • lonsdaleite o diamante esagonale, ibridizzazione sp³, di durezza 7-8 nella scala di Mohs;
  • nanoschiuma di carbonio, un allotropo a bassissima densità, ferromagnetico;
  • nanorod, aggregati di carbonio o ACNR o ADNR, la più dura e meno comprimibile sostanza nota, (dal 2005) 491 GPa di modulo;
  • carbonio amorfo (non esattamente un allotropo);
  • catena lineare o "carbina" o "carbonio sp" (forma esotica metastabile ottenuta per ora solo in laboratorio con sofisticate tecniche fisiche di fasci molecolari supersonici in ultra-alto vuoto).

Tali ibridizzazioni, componendosi in percentuali diverse possono dare vita a numerose forme allotropiche intermedie (come ad es. nei film nanostrutturati cluster assembled e nelle schwarziti). Il carbonio si trova in tutte le forme di vita organica ed è la base della chimica organica. Tale nonmetallo ha l'interessante caratteristica di essere in grado di legarsi con sé stesso e con una vasta gamma di elementi (producendo più di 10 milioni di composti). Unito all'ossigeno forma il biossido di carbonio che è assolutamente vitale per la crescita delle piante. Unito all'idrogeno forma vari composti chiamati idrocarburi che sono essenziali per l'industria in forma di combustibili fossili. Combinato a ossigeno e idrogeno forma vari gruppi di composti tra i quali gli acidi grassi, essenziali per la vita, e gli esteri, che danno il sapore a molti frutti. L'isotopo carbonio-14 è comunemente usato per la datazione radioattiva.

Cenni storici[modifica | modifica wikitesto]

Il carbonio (dal latino carbo che significa "carbone") era già conosciuto dalle popolazioni antiche che lo producevano bruciando materiale organico con poco ossigeno. In particolare veniva utilizzato nella produzione di inchiostri.[4]

Nel XVIII secolo Lavoisier riconosce che il carbonio è una sostanza semplice (cioè costituita da atomi dello stesso elemento chimico).[4] Successivamente venne determinato il suo peso atomico da Berzelius.[4]

La tetravalenza del carbonio fu appurata nel 1858 da Friedrich August Kekulé von Stradonitz.[5]

Il fullerene (allotropo del carbonio) venne scoperto come sottoprodotto di esperimenti con i raggi molecolari negli anni ottanta.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Il carbonio è un elemento notevole per vari motivi. Le sue differenti forme includono una delle più morbide (grafite) e una delle più dure (diamanti) sostanze conosciute dall'uomo. Inoltre, ha una grande affinità per i legami chimici con altri atomi leggeri, tra cui il carbonio stesso, e le sue piccole dimensioni lo rendono in grado di formare legami multipli (proprietà che viene definita "desmalusogenia"). Queste proprietà permettono l'esistenza di 10 milioni di composti del carbonio. I composti di carbonio formano le basi di tutta la vita sulla Terra e il ciclo carbonio-azoto fornisce parte dell'energia prodotta dal sole e da altre stelle.

Il carbonio non è stato creato nel Big Bang a causa del fatto che occorre una tripla collisione di particelle alfa (nuclei di elio) per essere prodotto. L'universo inizialmente si espanse e si raffreddò troppo velocemente perché ciò accadesse. È comunque prodotto all'interno delle stelle che trasformano i nuclei di elio in carbonio tramite il processo triplo alfa.

Isotopi[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Isotopi del carbonio.

Nel 1961 l'IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry adottò l'isotopo carbonio-12 come base per la misura del peso atomico. Il carbonio-14 è un radioisotopo con tempo di decadimento di 5730 anni ed è stato usato intensivamente per la datazione del legno nei siti archeologici. Il carbonio ha due isotopi stabili, disponibili in natura: 12C (98,93%) e 13C (1,07%).

Isotopi vicini[modifica | modifica wikitesto]

Le caselle colorate corrispondono ad isotopi stabili.

12O 13O 14O 15O 16O 17O 18O 19O
10N 11N 12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N
8C 9C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 17C
6B 7B 8B 9B 10B 11B 12B 13B 14B 15B 16B
5Be 6Be 7Be 8Be 9Be 10Be 11Be 12Be 13Be 14Be 15Be

Allotropi[modifica | modifica wikitesto]

Varie forme allotropiche del carbonio:
a) Diamante
b) Grafite
c) Lonsdaleite
d) Buckminsterfullerene
e) Fullerene C540
f) Fullerene C70
g) Carbonio amorfo
h) Nanotubo

Quattro allotropi del carbonio sono conosciuti: carbonio amorfo, grafite, diamanti e fullereni.

Nella sua forma amorfa, il carbonio è essenzialmente grafite, ma non ne mantiene la macrostruttura cristallina. È presente come polvere che va a formare la componente principale di sostanze come il carbone e la fuliggine.

A pressione normale il carbonio prende forma di grafite, nella quale ogni atomo è legato ad altri tre in un piano composto di anelli esagonali fusi assieme, come quelli degli idrocarburi aromatici. Le due forme conosciute di grafite, alfa (esagonale) e beta (romboidale), hanno identiche proprietà fisiche, ad eccezione della struttura cristallina. La grafite che si trova in natura contiene fino al 30% della forma beta, mentre la grafite prodotta sinteticamente contiene solo la forma alfa. La forma alfa può essere convertita in forma beta attraverso un trattamento meccanico e la forma beta si ritrasforma in forma alfa quando è riscaldata sopra i 1000 °C.

A causa della delocalizzazione della nuvola-pi, la grafite conduce l'elettricità. Il materiale è soffice e i fogli, frequentemente separati da altri atomi, sono tenuti insieme dalla sola Forza di van der Waals, e scivolano facilmente l'uno sull'altro.

A pressioni molto alte il carbonio forma un allotropo chiamato diamante, nel quale ogni atomo è legato ad altri quattro. I diamanti hanno la stessa struttura cubica del silicio e del germanio e, grazie alla forza del legame chimico carbonio-carbonio, è assieme al nitruro di boro la sostanza più dura in termini di resistenza allo sfregamento. La transizione alla grafite, a temperatura ambiente, è così lenta da risultare inosservabile. Sotto determinate circostanze, il carbonio cristallizza come Lonsdaleite, una forma simile al diamante ma a struttura esagonale.

I fullereni hanno una struttura simile alla grafite, ma invece della configurazione esagonale, contengono anche formazioni pentagonali (o eptagonali) di atomi di carbonio, che piegano i fogli in sfere, ellissi o cilindri. Le proprietà dei fullereni non sono ancora state analizzate completamente. Il loro nome è stato dedicato a Buckminster Fuller, l'ideatore della cupola geodetica, la cui geometria ricorda quella dei fullereni.

Disponibilità[modifica | modifica wikitesto]

Esistono quasi dieci milioni di composti di carbonio conosciuti, e molte migliaia di questi sono essenziali per i processi vitali e importanti per le reazioni a base organica. Il carbonio si trova in abbondanza nel sole, nelle stelle, nelle comete e nell'atmosfera della maggior parte dei pianeti. Alcuni meteoriti contengono diamanti microscopici che si formarono quando il sistema solare era ancora un disco protoplanetario. In combinazione con altri elementi, il carbonio si trova nell'atmosfera terrestre e disciolto in tutti i bacini d'acqua. Assieme a piccole quantità di calcio, magnesio e ferro, è uno dei principali componenti di carbonato, rocce, calcare, marmo, ecc. Combinato con l'idrogeno forma petrolio, carbone, gas naturale e altri composti collettivamente chiamati idrocarburi.

La grafite si trova in grandi quantità negli Stati Uniti, Russia, Messico, Groenlandia e India.

I diamanti naturali si trovano nei minerali di kimberlite che stanno all'interno di antichi camini vulcanici. La maggior parte dei giacimenti di diamanti si trovano in Africa, soprattutto in Sudafrica, Namibia, Botswana, Repubblica del Congo e Sierra Leone. Altri giacimenti si trovano in Canada, Artico russo, e Australia (occidentale e settentrionale).

Ciclo del carbonio[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Ciclo del carbonio.

Il ciclo del carbonio è il processo continuo di combinazione e rilascio di carbonio e ossigeno degli esseri viventi che immagazzina e rilascia calore ed energia. Catabolismo + anabolismo = metabolismo Il ciclo del carbonio avviene principalmente all'interno di quattro riserve. Il primo è costituito dalla biosfera, il secondo dall'idrosfera, il terzo dalla litosfera, il quarto dall'atmosfera.

Composti del carbonio[modifica | modifica wikitesto]

Composti inorganici[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Composto inorganico.

Il principale ossido del carbonio è il biossido di carbonio, CO2. Esso è un componente minore dell'atmosfera terrestre, prodotto e utilizzato dalle creature viventi. Nell'acqua forma tracce di acido carbonico, H2CO3, ma come molti composti con più atomi di ossigeno legati a un atomo di carbonio, è instabile. Alcuni importanti minerali sono carbonati, particolarmente la calcite e il bisolfuro di carbonio, CS2.

Altri ossidi sono il monossido di carbonio, CO, e il meno comune subossido di carbonio, C3O2. Il monossido di carbonio si forma da una combustione incompleta ed è un gas inodore e incolore. Ogni molecola contiene un legame doppio e risulta abbastanza polarizzata, tende quindi a legarsi permanentemente alle molecole di emoglobina, rendendo questo gas velenoso. Il cianuro, CN, ha una struttura e un comportamento simile a un alogenuro.

Con i metalli duri il carbonio forma carburi, C, o acetilati, C22−; questi sono associati al metano e all'acetilene o etino, entrambi acidi estremamente deboli. Con un'elettronegatività di 2,5, il carbonio tende a formare legami covalenti. Alcuni carburi sono solidi cristallini covalenti come SiC, conosciuto con il nome di carborundo. Il carburo di silicio ha una struttura simile a quella del diamante, in cui gli atomi di C e Si sono tetraedricamente circondati da quattro atomi di altro tipo. Sotto il nome di carborundo, esso è usato come attrezzo di taglio o come abrasivo.

Composti organici[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Composto organico.

Per definizione, sono detti "organici" i composti a base di carbonio in cui questo ha numero di ossidazione inferiore a +4.

Una particolarità del carbonio è la capacità di formare catene di atomi di varia lunghezza, anche cicliche. Tali catene sono alla base degli idrocarburi e di tutti composti organici. Nel caso degli idrocarburi, al crescere del numero di atomi che compongono le catene si passa dagli oli volatili, agli oli pesanti, alle cere paraffiniche.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Il carbonio è una componente vitale di tutti i sistemi viventi conosciuti e senza di esso la vita come la conosciamo non esisterebbe. Il principale uso commerciale del carbonio è in forma di idrocarburi, principalmente combustibili fossili, gas metano e petrolio. Il petrolio è utilizzato dall'industria petrolchimica per produrre, tra gli altri, benzina, gasolio e kerosene (o cherosene) nelle raffinerie, attraverso un processo di distillazione. Il petrolio fornisce il materiale di base per molte sostanze sintetiche che vengono collettivamente chiamate plastiche.

Altri usi:

  • L'isotopo 14C scoperto il 27 febbraio 1940 è usato nella datazione al radiocarbonio e come tracciante radioisotopico.
  • La grafite è usata nelle matite da disegno.
  • I diamanti sono usati per scopi ornamentali, e anche come punte perforanti e in altre applicazioni che sfruttano la loro durezza.
  • Il carbonio viene aggiunto in basse percentuali al ferro per produrre l'acciaio. Sempre legato al ferro, ma in percentuali superiori al 2%, si ottiene la ghisa che ha ottima colabilità e resistenza all'usura.
  • Il carbonio è utilizzato nelle barre di controllo delle centrali nucleari come carburo di Boro, e come moderatore per rallentare i neutroni veloci fino ad energie dell'ordine del centesimo di elettronvolt.
  • In forma di carbone è usato per il riscaldamento e per altri scopi.
  • È utilizzato anche come materiale primario, o come fibra di rinforzo, unito al kevlar, nella produzione di mazze da hockey su prato, e nei rivestimenti, interni o esterni, delle auto sportive o di quelle da corsa, sia per la sua resistenza che per la sua leggerezza.

Le proprietà chimiche e strutturali dei fullereni, in forma di nanotubi di carbonio, hanno un promettente uso potenziale nel campo nascente delle nanotecnologie.

Precauzioni[modifica | modifica wikitesto]

Il carbonio è poco tossico, se in granulometria circa millimetrica, ingeribile sotto forma di grafite o carbone (carbone attivo farmacologico). È resistente alla dissoluzione chimica, anche nel tratto digestivo acido, ed utilizzato per adsorbire eventuali particolari composti tossici.

L'inalazione di polvere di carbone o di fuliggine (nerofumo) in grandi quantità può essere pericolosa, irritante per i tessuti polmonari e causare l'antracosi. Analogamente la polvere di diamante usata come abrasivo. Microparticelle di carbonio sono prodotte in gas di scarico dei motori a scoppio, e possono accumularsi nei polmoni. Gli effetti nocivi possono derivare dalla contaminazione delle particelle di carbonio, fortemente adsorbenti, con i prodotti chimici organici o metalli pesanti, piuttosto che dal carbonio stesso.

Si stanno studiando potenziali effetti dannosi, analoghi a quelli di altre fibre minerali (Pneumoconiosi), derivanti dalle fibre di carbonio, eventualmente respirate od ingerite. Analoghi studi vengono fatti a proposito delle strutture nanometriche come fullereni, e nanotubi di carbonio.

Il carbonio può anche bruciare vigorosamente in presenza di aria a temperature elevate, come nell'incendio della centrale elettronucleare di Windscale, a Sellafield (Windscale fire), che è stato causato da improvvisa liberazione di energia (effetto Wigner, dallo scopritore Eugene Wigner consistente in uno dislocamento atomico nel reticolo cristallino ad opera di neutroni veloci, ed a un successivo ritorno, con liberazione dell'energia relativa accumulata) nella grafite usata come moderatore e quindi sottoposta a bombardamento neutronico.
Grandi accumuli di carbone, che sono rimasti inerti per centinaia di milioni di anni in assenza di ossigeno, possono spontaneamente bruciare quando esposti all'aria.

Composti[modifica | modifica wikitesto]

I composti del carbonio coprono una vasta gamma di azioni tossiche, e essendo la base dei composti biologici, benefiche. Il monossido di carbonio, CO, presente nei gas di scarico dei motori a combustione, e il cianuro, CN, che a volte inquina le miniere, sono estremamente tossici per i vertebrati. Molti altri composti non sono assolutamente tossici ma sono anzi essenziali per la vita. Gas organici come etilene (CH2=CH2), acetilene (HC≡CH), e metano (CH4), e molte altre molecole, sono infiammabili ed esplosivi se miscelati con l'aria in certe proporzioni.

Citazioni letterarie[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP. URL consultato il 6 dicembre 2007.
  2. ^ Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical. URL consultato il 6 dicembre 2007.
  3. ^ Carbon: Binary compounds. URL consultato il 6 dicembre 2007.
  4. ^ a b c Carbonio in Treccani.it - Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 15 marzo 2011.
  5. ^ La scoperta del Carbonio tetraedrico | ilB2B.it

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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