Carbonio
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| Generale | |||||||||
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| Nome, Simbolo, Numero Atomico | carbonio, C, 6 | ||||||||
| Serie chimica | non metalli | ||||||||
| Gruppo, Periodo, Blocco | 14 (IVA), 2, p | ||||||||
| Densità Durezza |
2267 kg/m3 0,5 (grafite) 10,0 (diamante) |
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| Colore | nero (grafite) incolore (diamante) |
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| Proprietà atomiche | |||||||||
| Peso atomico | 12,0107 uma | ||||||||
| Raggio atomico | 70 pm | ||||||||
| Raggio covalente | 77 pm | ||||||||
| Raggio di van der Waals | 170 pm | ||||||||
| Configurazione elettronica | He2s22p2 | ||||||||
| e- per livello energetico | 2, 4 | ||||||||
| Stato di ossidazione | 4, 2 (lievemente acido) | ||||||||
| Struttura cristallina | Esagonale | ||||||||
| Proprietà fisiche | |||||||||
| Stato di aggregazione | solido (non magnetico) | ||||||||
| Punto di fusione | 3773 K, (3499,85 °C) | ||||||||
| Punto di ebollizione | 5100 K, (4826,85 °C) | ||||||||
| Volume molare | 5,29 · 10-3 m3/mol | ||||||||
| Calore di vaporizzazione | 355,8 kJ/mol | ||||||||
| Calore di fusione | sublima | ||||||||
| Pressione di vapore | 0 Pa | ||||||||
| Velocità del suono | 18350 m/s | ||||||||
| Varie | |||||||||
| Elettronegatività | 2,55 (Scala di Pauling) | ||||||||
| Capacità calorica specifica | 710 J/(kg*K) | ||||||||
| Conducibilità elettrica | 0,061 · 106/m ohm | ||||||||
| Conducibilità termica | 129 W/(m*K) | ||||||||
| Energia di prima ionizzazione | 1086,5 kJ/mol | ||||||||
| Energia di seconda ionizzazione | 2352,6 kJ/mol | ||||||||
| Energia di terza ionizzazione | 4620,5 kJ/mol | ||||||||
| Energia di quarta ionizzazione | 6222,7 kJ/mol | ||||||||
| Energia di quinta ionizzazione | 37831 kJ/mol | ||||||||
| Energia di sesta ionizzazione | 47277 kJ/mol | ||||||||
| Isotopi stabili | |||||||||
| iso | NA | TD | DM | DE | DP | ||||
| 12C | 98,9% | C è stabile con 6 neutroni | |||||||
| 13C | 1,1% | C è stabile con 7 neutroni | |||||||
| 14C | tracce | 5730 anni | β- | 0,156 | 14N | ||||
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iso = isotopo |
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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 puó 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 Mohs con un modulo di 442 GPa)
- grafite (ibridizzazione sp²,una delle sostanze più soffici 1-2 nella scala Mohs)
- fullerite (fullereni, e nanotubi di carbonio ibridizzazione sp², molecole di scala nanometrica, cave con superficie grafitica).
- lonsdaleite o diamante esagonale, ibridizzazione sp³ e sp², di durezza 7-8 nella scala 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. Questo 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 l'anidride carbonica 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.
Indice |
[modifica] Caratteristiche
Il carbonio è un elemento notevole per vari motivi. Le sue differenti forme includono una delle più soffici (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 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.
[modifica] Applicazioni
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 moderazione delle centrali nucleari.
- 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.
[modifica] Storia
Il carbonio (dal latino carbo che significa "carbone") fu scoperto nella preistoria e conosciuto dalle popolazioni antiche che lo producevano bruciando materiale organico con poco ossigeno. I diamanti sono stati a lungo considerati rari e stupendi. L'ultimo allotropo del carbonio, i fullereni, venne scoperto come sottoprodotto di esperimenti con i raggi molecolari negli anni '80.
[modifica] Allotropi
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 ispirato a Buckminster Fuller, l'ideatore della cupola geodesica, che imita la struttura dei fullereni.
[modifica] Disponibilità
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).
[modifica] Composti inorganici
Il principale ossido del carbonio è l'anidride carbonica, CO2. Essa 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 protossido 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 triplo 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, entrambi acidi estremamente deboli. Con un elettronegatività di 2,5, il carbonio tende a formare legami covalenti. Alcuni carburi sono solidi cristallini covalenti, come il carborundum, SiC, che assomiglia al diamante.
[modifica] Composti organici
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.
[modifica] 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.
[modifica] Isotopi
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 5715 anni ed è stato usato intensivamente per la datazione del legno nei siti archeologici.
Il carbonio ha due isotopi stabili, disponibili in natura: 12C (98.89%) e 13C (1.11%).
[modifica] Precauzioni
I composti di carbonio coprono una vasta gamma di azioni tossiche. 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 mammiferi. 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) sono esplosivi e infiammabili se miscelati con l'aria.
[modifica] Bibliografia
- Harold Kroto, Molecole su misura - C60, il supermodello molecolare, Di Renzo Editore, 2005
- Francesco Neve. Carbonio. Breve storia di un materiale del futuro. Roma, Aracne editrice, 2008. ISBN 9788854816503.
[modifica] Citazioni letterarie
- Al carbonio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.
[modifica] Altri progetti
Wikimedia Commons contiene file multimediali su Carbonio
Wikizionario contiene la voce di dizionario «carbonio»
La tavola periodica degli elementi
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