Carbonio
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| Generale | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nome, Simbolo, Numero Atomico | carbonio, C, 6 | ||||||||
| Serie chimica | metalloidi | ||||||||
| Gruppo, Periodo, Blocco | 14 (IVA), 2, p | ||||||||
| Densità Durezza | 2267 kg/m3 0,5 (grafite) 10,0 (diamante) | ||||||||
| Colore | nero (grafite) 125px|aspetto del carbonio (grafite) incolore (diamante) | ||||||||
| Proprietà atomiche | |||||||||
| Peso atomico | 12,0107 amu | ||||||||
| 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 | |||||||||
Il carbonio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come simbolo C e come numero atomico il 6. È un elemento nonmetallico, tetravalente. Il carbonio ha tre (o quattro) forme allotropiche:
- diamante (Il minerale più duro che si conosca)
- grafite (Una delle sostanze più soffici)
- fullerite (fullereni, molecole di scala nanometrica che somigliano a sfere di grafite).
- carbonio amorfo (non esattamente un allotropo)
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 se 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 |
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. 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.
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.
- 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 raffreddamento delle centrali nucleari.
- In forma di carbone è usato per il riscaldamento e per altri scopi.
Le proprietà chimiche e strutturali dei fullereni, in forma di nanotubi di carbonio, hanno un promettente uso potenziale nel campo nascente delle nanotecnologie.
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.
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.
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 Sud Africa, Namibia, Botswana, Repubblica del Congo e Sierra Leone. Altri giacimenti si trovano in Canada, Artico Russo, e Australia (occidentale e settentrionale).
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 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.
Catena del carbonio
Struttura atomica degli idrocarburi nella quale una serie di atomi di carbonio, separati da atomi di idrogeno formano una catena. Gli oli volatili hanno catene più corte. I grassi catene più lunghe. Le cere catene estremamente lunghe.
Ciclo del carbonio
Il processo continuo di combinazione e rilascio di carbonio e ossigeno che di conseguenza immagazzina e rilascia calore ed energia. Catabolismo + anabolismo = metabolismo
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 di legno, specie e siti archeologici.
Il carbonio ha due isotopi stabili, disponibili in natura: 12C (98.89%) e 13C (1.11%).
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.
Citazioni letterarie
- Al carbonio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.
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