CARBONIO - Alexis Carrel

Alexis
CARBONIO
CARREL
Lo scopo di questa ricerca è stato l'osservazione
di tre sostanze naturali, grafite
diamante e fullerite, definite forme allotropiche
del carbonio. In natura si presentano
con colore, lucentezza, densità, durezza
e abiti cristallini diversi. Sapendo che le
proprietà chimico-fisiche di una sostanza
dipendono dalla disposizione nello spazio
degli atomi, abbiamo indagato come gli atomi
di carbonio si legano tra loro per formare
queste diverse strutture.
Definizione di allotropia: proprietà di alcuni
elementi chimici di combinare i propri atomi
in due o più forme diverse, che si distinguono
per la struttura molecolare o cristallina.
Carbonio
CARBONIO
CARBONIO
L’essenziale è invisibile agli occhi
a. Diamante b. Grafite c. Fullerene d. Nanotubi
a b c d
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 1 carbonio
Diamante
Grafite

Alexis
CARBONIO
CARREL
CARBONIO
Elemento chimico di simbolo C e numero atomico 6, appartenente
al gruppo IVA (o 14) della tavola periodica. È
il costituente fondamentale di tutti i composti organici e di
alcuni inorganici , e riveste quindi un ruolo molto importante
nella vita degli organismi viventi.
Il carbonio ha la proprietà unica di combinarsi con se
stesso per formare catene di atomi e anelli estremamente
complessi. Per questo motivo esiste un numero idealmente
infinito di suoi composti, tra cui i più comuni sono
quelli che contengono carbonio e idrogeno. I primi
composti di carbonio furono identificati in organismi viventi
all’inizio del XIX secolo.
Il carbonio è poco reattivo a temperatura ambiente, ma a
temperature elevate reagisce facilmente con molti metalli
per formare i carburi, e con l’ossigeno per formare il monossido
di carbonio (CO) e il diossido di carbonio, (CO2).
Rappresenta lo 0,025% della crosta terrestre sotto forma
di carbonati.
Il diossido di carbonio è un importante costituente dell’atmosfera
ed è la fonte di carbonio più importante per
gli organismi viventi. Nel processo di fotosintesi, le piante
trasformano diossido di carbonio in composti organici
complessi, che vengono successivamente utilizzati
da altri organismi.
Carbonio
Aragonite
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 2 carbonio
Calcite

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Applicazioni scentifiche
Oltre alle numerose applicazioni industriali, il carbonio ha
importanza anche nel settore scientifico. Nel 1961 l’isotopo
più comune, il carbonio 12, fu scelto per sostituire l’ossigeno
16 come standard per i pesi atomici.
Gli isotopi di peso atomico 13 e 14 sono largamente usati
come traccianti isotopici nella ricerca biochimica. Il carbonio
14, noto anche come radiocarbonio, è un isotopo
radioattivo che viene prodotto in continuazione nell’atmosfera
per cattura dei neutroni della radiazione cosmica da
parte dei nuclei di azoto; è incorporato in tutti gli organismi
viventi e quando questi muoiono, il contenuto di carbonio
14 decresce, con tempo di dimezzamento di circa
5730 anni. L’analisi del rapporto tra carbonio 12 e 14 presente
in un organismo rappresenta la base del cosiddetto
metodo di datazione al radiocarbonio, che permette la stima
dell’età dei fossili e di altri materiali organici.
L’acciaio che costituisce il più importante prodotto della siderurgia
è una lega di Fe e C caratterizzata da quantità
di carbonio inferiore a 1,9 %; leghe con tenore superiore
di carbonio prendono il nome di ghisa.
Allo stato amorfo il carbonio si trova, in vari gradi di purezza,
nel carbone, nel coke, nel nero di gas e nel nerofumo.
Per lungo tempo è stato usato come pigmento nero
negli inchiostri e nelle vernici, ma attualmente è stato sostituito
dal nerofumo, composto da particelle più sottili e ottenuto
dalla combustione incompleta del gas naturale. Il nerofumo
è utilizzato come stucco e come rinforzante nell’industria
della gomma.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 3 carbonio

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GRAFITE
La grafite è costituita esclusivamente da carbonio nella
sua forma più stabile, in cui gli atomi sono disposti
ai vertici di unità esagonali legate in modo da creare
piani paralleli. Si presenta come masse fogliacee o
laminette sparse, di colore nero opaco, a volte a contorni
esagonali e con fitte striature. È ampiamente distribuita
nel mondo: i più importanti giacimenti si trovano
in Inghilterra, Messico, Sri Lanka, Canada, Stati Uniti
e in Italia in Val Chisone, Val Bormida (Piemonte) e in
Calabria.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi
Grafite
Ambiente di formazione
In natura si forma in rocce metamorfiche di alto grado come
prodotto finale della carbonizzazione di sostanze
organiche. Viene anche prodotta artificialmente: il processo
di “grafitizzazione” consiste nel riscaldamento per 11-
13 settimane a 950 °C di una miscela di derivati del petrolio
e del carbone, e nel successivo trasferimento del prodotto
di questa cottura in forni elettrici dove viene tenuto
a 2800 °C per 4-5 settimane.
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grafite

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Proprietà chimico-fisiche
La grafite è nera e opaca con lucentezza submetallica, con
lo striscio si ottiene polvere nero-grigia; inoltre al tatto risulta
untuosa, scivolosa e molto leggera. È estremamente
morbida (nella scala di Mohs la durezza varia tra 1
e 2), e quindi può essere scalfita da qualunque materiale.
È perfettamente sfaldabile in piani paralleli, infusibile
e insolubile. È l’unico non-metallo che conduce bene l’ elettricità,
ma non il calore.
Applicazioni
L’impiego industriale della grafite riguarda molteplici
settori: è utilizzata per gli elettrodi dell’industria
elettrochimica, per forni elettrici
destinati ad altissime temperature, per l’indurimento
dell’acciaio,come lubrificante (talvolta
mescolata a grasso, oli o acqua) in vernici industriali
e per la realizzazione di mine per le matite.
È anche impiegata come moderatore nei reattori nucleari:
quando è estremamente pura riesce infatti a rallentare,
senza catturarli, i neutroni generati nel processo
di fissione nelle reazioni nucleari.
La mina di una matita è costituita da un impasto di
grafite e argilla e lascia una traccia che può essere cancellata
con facilità. La durezza della mina dipende dalla
proporzione di grafite rispetto all’argilla: maggiore è
la quantità di grafite, più morbida è la matita e più scura
la traccia. Nel 1812 lo statunitense William Monroe
inventò un procedimento grazie al quale l’impasto trafilato
di grafite e argilla poteva essere racchiuso tra due pezzi
di legno di cedro.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 5 grafite

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DIAMANTE
Il diamante è un minerale costituito esclusivamente da carbonio.
Pur avendo la stessa composizione chimica della
grafite, possiede proprietà chimico-fisiche profondamente
diverse, dovute alla differente struttura cristallina in
cui sono disposti gli atomi. Nel diamante ogni atomo di carbonio
si lega attraverso legami covalenti ad altri quattro,
posti in una struttura tetraedrica mediante legami singoli
con ibridazione sp 3 . In natura si presenta in cristalli normalmente
ottaedrici e rombododecaedrici, ma non sono
rari anche cristalli arrotondati distorti o geminati.
Splendidi cristalli si trovano nelle kimberliti del Sudafrica
e della Yacuzia (URSS), nei giacimenti del Canada, nella
Repubblica Domenicana, e in Congo.
Diamante
Ambiente di formazione
L’esatto meccanismo di formazione dei diamanti è ancora
in fase di studio, è certo però che sono necessarie
condizioni estreme di temperatura e pressione
affinchè il carbonio possa cristallizzare in questa forma.
Probabilmente i diamanti si sono prodotti nell’ambito di
rocce fuse, a 150-200 km di profondità e in presenza di
pressioni prossime a 50.000 atm.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 6 diamante

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Proprietà chimico-fisiche
È il minerale più duro che esista (nella scala
di Mohs è pari a 10). I diamanti esibiscono
un’ampia variabilità di trasparenza e colore, causata
dalla presenza di tracce di diversi elementi,
inoltre tutte le pietre di interesse gemmologico
sono trasparenti. Due importanti caratteristiche
del diamante sono la lucentezza e il fuoco,
determinati dall’indice di rifrazione e dalla dispersione,
che sono più alte per il diamante che per
qualunque altra pietra naturale trasparente e incolore.
I diamanti non tagliati non sono brillanti ma le stesse
pietre, una volta tagliate, presentano una caratteristica
ed elevata lucentezza, detta adamantina.
L’effetto dell’alta dispersione è quello di separare le componenti
colorate della luce bianca, in modo tale da fare
scintillare la pietra.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1. Talco
2. Gesso
3. Calcite
4. Spatofluoro
5. Apatite
6. Fedelspato
7. Quarzo
8. Topazio
9. Corindone
10. Diamante
Applicazioni
L’uso industriale del diamante è legato alle sue caratteristiche
di durezza, infatti può essere usato per lucidare, tagliare
o abradere qualsiasi materiale compresi altri diamanti.
Le varietà incolori o ben colorate costituiscono le
note pietre preziose.
Diamanti celebri. Il più grande di tutti quelli conosciuti
è il Cullinan, scoperto in Sudafrica nel 1905 e offerto
al re Edoardo VII. Pesava 3106 carati (1 carato equivale
a 0,2 g) prima di essere tagliato, con il taglio, furono
prodotte 105 gemme del peso complessivo di 1063 carati.
Invece il secondo più grande diamante tagliato
esistente, a forma di goccia, è chiamato Star of Africa,
pesa 530,2 carati ed è incastonato nello scettro
reale d’Inghilterra.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 7 diamante
10

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IBRIDIZZAZIONE
Il carbonio ha configurazione elettronica normale o stato
fondamentale 1s2 2s2 2p2 e sembrerebbe pertanto
divalente, avendo solo due elettroni spaiati negli orbitali
p. In realtà è tetravalente in quasi tutti i composti
tranne nel monossido di carbonio, CO.
Z= 6 C: 1s2; 2s2; 2p2
Nella configurazione normale gli angoli formati tra gli
orbitali “p” misurano sempre 90°, in quanto gli assi x,
y e z sono tra di loro ortogonali. Di conseguenza px è
perpendicolare a py e, nello stesso tempo, anche a pz.
La configurazione normale, tuttavia, viene meno nella
maggior parte dei composti del carbonio dove gli orbitali
si ibridizzano rimescolandosi tra loro. Per poter
creare legami covalenti con altri atomi, il carbonio ,
infatti, deve inizialmente passare allo stato eccitato “promuovendo”
un elettrone dall’orbitale 2s nell'orbitale 2p
vuoto (eccitazione), così da assumere una configurazione
elettronica esterna di tipo: 2s 2p3.
GRAFITE e FULLERENE:
ibridazione sp 2
Ibridizzazioni
Nell'ibridazione sp 2 il carbonio ha
angoli di 120° tra gli orbitali. In
questo caso si formano tre orbitali
sp e un orbitale p in verticale. La
grafite è costituita da molti piani
poco compatti formati da varie
molecole di carbonio unite insieme
con un legame singolo e uno
doppio . Il fullerene è formato da
12 pentagoni e 20 esagoni in cui
ogni atomo di carbonio si lega ad
altri tre tramite un doppio legame
e due singoli.
DIAMANTE:
ibridazione sp 3
In questo tipo di ibridazione un
elettrone del livello 2s passa al livello
2p che poi, ricombinandosi con
l’orbitale s formano quattro orbitali
ibridi isoenergetici sp 3 . Questi orbitali
hanno forma lobata molto simile a
quella degli orbitali 2p e sono posti ad
un angolo di 109° 27’ l’uno dall’altro.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 8 ibridazioni

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FULLERENE
Nel 1985 fu assegnato il premio nobel per la chimica ad
Harold Kroto per la scoperta dei fullereni buckyball,
l’unica forma finita del carbonio; le altre due, diamante
e grafite, sono infatti reticoli infiniti.
Il suo nome si deve all’architetto Buckminster Fuller, che progettava
abitazioni a forma di cupola geodetica, basata
su pentagoni ed esagoni. Infatti la forma del fullerene, simile
a quella di un pallone da calcio, è costituita da 12
pentagoni e 20 esagoni, in cui ciascun pentagono è
circondato da 5 esagoni.
Ogni atomo di carbonio che costituisce la struttura del fullerene,
si lega ad altri 3 atomi di carbonio (ibrid. Sp 2 ), da
un doppio legame covalente e due legami singoli.
CARATTERISTICHE GENERALI
Formula bruta o molecolare C60
Massa molecolare (u) 720,66
Aspetto polvere grigia
Numero 99685-96-8
PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE
Densità (g/cm3 , in c.s.) 1
Fullerene
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Proprietà chimico-fisiche
Le proprietà chimiche e fisiche dei fullereni sono stati
importanti oggetti di studio, sia nei laboratori di
ricerca puri che applicati.
Il fullerene presenta diversi ambiti di impiego:
In medicina: legando specifici antibiotici alla loro
struttura è possibile abbattere le resistenze dei batteri
o perfino colpire cellule cancerogene. Alcuni
scienziati dell’università di San Francisco e Santa Barbara
mirano a utilizzare la molecola di fullerene per inibire
l’azione dell’enzima responsabile della riproduzione
del virus dell’HIV.
Come lubrificante: le sue sfere possono ruotare tra due
superfici riducendo l’attrito.
In Medicina nucleare: Il fullerene può essere usato
per immagini mediche e per la cura del cancro. Gli anticorpi,
legati alla buckyball, possono trasportare gli atomi
radioattivi fino alle cellule tumorali da trattare. Per
le immagini mediche, al paziente verrà immessa una dosa
minore di traccianti radioattivi, in quanto, se contenuti
all’interno della gabbia di fullerene, si previene
che possano interagire con il corpo, in particolare
con il sistema immunitario.
In elettronica: Inserendo 3 atomi di metallo nella
struttura del fullerene, questo assume proprietà
che vanno da quelle magnetiche a quelle di semiconduttore.
Si possono inserire metalli con proprietà
ottiche come la fluorescenza e si può usare per
amplificare le applicazioni delle fibre ottiche.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 10 fullerene

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NANOTUBI
Inanotubi sono strutture di carbonio scoperte, quasi per caso,
nel 1991 dal giapponese Sumio Iijima nei laboratori
della Nec. Furono ottenute facendo scoccare una scintilla
in vapori di carbonio, che si condensavano in minuscoli
aghi. A fortissimo ingrandimento, gli aghi si rivelarono
tubicini inseriti uno nell’altro chiusi alle estremità da
semisfere di fullerene (per questo vengono chiamati emifullereni).
Si conosce l’esistenza di 2 tipologie di nanotubi:
SWNT (Single Wall Nano Tubes) e MWNT (Multi
Wall Nano Tubes). Per sintetizzare un nanotubo di carbonio
occorrono la contemporanea presenza di una sorgente
e di un catalizzatore metallico(ferro, cobalto e nichel).
Per innescare la crescita del nanotubo il catalizzatore metallico,
posto su un apposito supporto, viene ricoperto da
un film emisferico di carbonio. Il carbonio tende a diffondersi
nel catalizzatore e una volta raggiunto il supporto,
dà inizio alla crescita della struttura.
Nanotubi
Proprietà chimico-fisiche
Le proprietà di un manufatto dipendono da numerosi fattori,
tra i quali i più importanti sono la forza dei legami atomo-atomo
del materiale costruttivo e l’assenza di difetti strutturali
nel reticolo cristallino. Per portare a rottura un nanotubo
di carbonio, privo di difetti, occorre spezzare tutti i legami
covalenti carbonio-carbonio che lo compongono, che
sono i legami più forti conosciuti in natura. Da questo consegue
che una fibra costituita da nanotubi di carbonio è
non solamente la più resitente mai fatta, ma addirittura la
più resistente che sia possibile fare.
I nanotubi, sono molto flessibili e possono essere ripiegati
fini a circa 90° senza rompersi.
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Nanotecnologie
NANOTECNOLOGIE
La scoperta dei nanotubi e del fullerene hanno dato di
fatto il via alle nanotecnologie.
Grazie alle loro piccole dimensioni e alle loro proprietà
di resistenza meccanica i nanotubi possono essere
utilizzati per applicazioni di alto livello, come quelle di
sonda per microscopi a effetto tunnel.
Un gruppo di fisici dell’università di Berkley è riuscito ad
utilizzare un MWNT come se fosse un tubo telescopico;
un nanotubo di questo tipo potrebbe essere usato come
“nano-molla” o “nano-ammortizzatore” in una
macchina di dimensioni nanometriche.
Diametro di un capello 100.000 nm
Globulo rosso 3.000nm
Batterio E. coli 500nm
Connessioni nel Pentium 4 130nm
Virus epatite C 50nm
Larghezza del DNA 2nm
Diametro di un nano tubo 1nm
Diametro del fullerene 0,7 nm
Atomo di idrogeno 0,1 nm
Dalla microelettronica alla Nanoelettronica
I nanotubi hanno dimostrato delle sorprendenti proprietà
di conduttività che cambiano a seconda della loro
geometria. In determinate condizioni, gli elettroni possono
passare all’interno del nanotubo senza scaldarlo.
Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti
per lo sviluppo di “nanocavi” o “cavi quantici”
che potrebbero sostituire il silicio nel campo dei materiale
per l’elettronica o nel campo delle celle solari.
Altro possibile impiego grazie a queste proprietà di conduzione
è il loro uso come cannoni elettronici per la produzione
di schermi al plasma ad altissima definizione.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 12 nanotec

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Adsorbimento di gas e capillarità
Grazie alla loro forma tubolare, i nanotubi mostrano delle
forti proprietà di capillarità, e il loro grande rapporto
superficie/peso li rende teoricamente ideali per l’adsorbimento
dei gas, in particolare dell’idrogeno in vista
di un suo possibile uso nelle “celle a combustibile”.
Somministrazione farmaci
È stato scoperto recentemente che hanno una notevole
affinità per le cellule endoteliali costituenti
delle pareti interne dei vasi sanguigni, bersaglio
importante per impedire la crescita delle
cellule tumorali. L’uso di nano molecole, o nano
particelle risulta l’applicazione più promettenti
per la somministrazione mirata di sostanze terapeutiche.
La veicolazione ha due scopi principali diminuire
la tossicità e migliorare la penetrazione nella cellula.
Le nano particelle permettono di trasportare i farmaci
al sito della malattia.
Altri possibili utilizzi
Raddoppiare l’accuratezza delle radiografie.
Biosensore in grado di rilevare immediatamente livelli
anche molto bassi di Salmonella Typhi, in quanto attivano
un sensore elettrico quando entrano in contatto
con l’agente patogeno.
CARBONIO L’essenziale è invisibile agli occhi 13 nanotec