IL CARBONIO

IL CARBONIO

di Alessia Digirolamo

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INDICE

Il ciclo del carbonio e il Carbonio-14

Caratteristiche e usi del carbonio

La chimica organica e le biomolecole

Dov'è?

Gli idrocarburi

Gli allotropi: grafite, diamante...

Una recente scoperta

...carbonio amorfo e fullereni

Struttura del carbonio e isotopi

Conclusione

Caratteristiche e usi del carbonio

Il carbonio è un elemento di straordinaria importanza per diverse caratteristiche: -Esiste in differenti forme; -Ha legami chimici con altri atomi leggeri tra cui il carbonio stesso; -È in grado di formare legami multipli. Queste proprietà portano all’esistenza di circa 10 milioni di composti del carbonio. Il carbonio può essere utilizzato come combustibile, lubrificante, può formare leghe metalliche. Il C¹⁴ viene utilizzato per la datazione dei fossili; la grafite per le matite; i diamanti come gioielli o punte perforanti; aggiunto al ferro ci fornisce ghisa e acciaio; unito ad altri materiali si usa per produrre articoli sportivi o rivestimenti di auto, etc.

dov'È?

Il carbonio può assumere diverse forme e lo troviamo: Nelle rocce Qui il carbonio presente è soprattutto allo stato solido, come il calcare (carbonato di calcio CO₃). Le rocce sono sicuramente la più grande riserva terrestre di carbonio. Nell’atmosfera Qui il carbonio si trova allo stato gassoso. Il gas che contiene più carbonio è l’anidride carbonica (CO₂), altri sono il metano (CH₄), e il monossido di carbonio (CO). Nell’oceano Qui troviamo diversi composti del carbonio in forma dissolta, la cui abbondanza dipende dal PH dell’acqua. Nella biosfera Qui il carbonio, per la maggior parte materiale organico e suolo, è costituito da zuccheri semplici, come glucosio e fruttosio, ma anche da molecole come amido e cellulosa. Nei combustibili fossili Qui il carbonio è carbone solido, petrolio liquido e metano.

GLI ALLOTROPI: GRAFITE, DIAMANTE...

Il carbonio è conosciuto fin dall’antichità, ma come elemento è stato identificato dallo scienziato francese Antoine-Laurent de Lavoisier. In natura, come elemento puro, si trova in forme diverse chiamate allotropi. Infatti con “allotropia” si intende la proprietà di un elemento di esistere in diverse forme. I 4 allotropi più conosciuti del carbonio sono: la grafite, il diamante, il carbonio amorfo e i fullereni. La grafite è un minerale molto meno duro del diamante ed è la forma più comune in cui si presenta il carbonio. Ogni atomo è legato ad altri tre, compone un piano fatto di anelli esagonali ed esiste quella alfa e quella beta. Essa conduce elettricità e per questo viene utilizzata in industria per esempio per realizzare elettrodi, ma anche lubrificanti. I diamanti invece si creano nello strato sottostante la crosta terrestre, il mantello, dove l’alta pressione e temperatura (2000 C˚) trasformano la grafite in cristalli di diamante; ogni atomo è legato ad altri quattro e hanno una struttura cubica. È il più duro minerale di origine naturale, a causa dei legami molto forti di ogni atomo di carbonio con gli atomi vicini, e la sua durezza è la caratteristica che lo rende utilizzabile in diversi settori.

...CARBONIO AMORFO E FULLERENI

Il carbonio amorfo è il risultato di un esperimento in cui si è partiti da una forma di carbonio, chiamato vetroso, gli si è applicata una pressione 400.000 volte maggiore di quella atmosferica e si è creato un nuovo allotropo. Questo ha una struttura non organizzata in unità atomiche ripetute e per questo è un materiale amorfo. I fullereni, come la grafite, hanno una struttura con anelli esagonali, ma i legami degli atomi di carbonio formano anche dei pentagoni; per questo non si compone un piano, ma sfere, ellissi o cilindri. Le sue proprietà non sono state ancora analizzate completamente.

STRUTTURA DEL CARBONIO E ISOTOPI

È un elemento chimico della tavola periodica che ha come simbolo C. Quando si tratta di C¹², carbonio più abbondante in natura, il suo atomo è costituito da 6 protoni, 6 neutroni e 6 elettroni e ha massa atomica 12. È un elemento non metallico e tetravalente, cioè può accettare o cedere 4 elettroni. Dei 6 elettroni, 2 sono vicini al nucleo e gli altri 4 più esterni sono gli elettroni di valenza, quelli che entrano in gioco nei legami chimici. Come tutti gli elementi, anche il carbonio segue la regola dell’ottetto, in base alla quale un atomo raggiunge la stabilità quando ha un “guscio di valenza” completo, cioè costituito da 8 elettroni. Avendo 4 elettroni di valenza, si lega ad altri elementi con legami che possono essere singoli, doppi o tripli. Possiamo fare tanti esempi tra cui: O=C=O e si crea l’anidride carbonica. Il C¹³ è un isotopo non radioattivo del carbonio, composto da 6 protoni, 7 neutroni e 6 elettroni, con massa atomica pari a 13 ed è più raro del C¹² come isotopo reperibile in natura. Ma sicuramente grande importanza ha il C¹⁴.

IL CICLO DEL CARBONIO E IL Carbonio14

Il C¹⁴ è un isotopo radioattivo del carbonio che si forma nell’atmosfera, composto da 6 protoni, 8 neutroni e 6 elettroni, con massa atomica pari a 14. È stato scoperto nel 1940 da Martin Kamen e Sam Ruben. Nell’atmosfera il carbonio e l’ossigeno formano una molecola, chiamata CO₂, anidride carbonica, usata dalle piante per la fotosintesi con cui producono gli zuccheri, che sono il loro nutrimento, e l’ossigeno. Da qui il carbonio, presente nelle molecole organiche create dalle piante, attraverso la rete alimentare, passa negli erbivori che mangiano le piante, negli altri animali che si nutrono degli erbivori e anche nell’uomo. Quindi possiamo dire che il carbonio è un elemento fondamentale negli esseri viventi.Per questa ragione il C¹⁴ viene utilizzato come strumento per datare i fossili: infatti rimane nell’organismo vivente che, una volta morto, smette di assumerne altro. Intanto il C¹⁴ presente al momento della morte via via diminuisce (decadimento); conoscendo la curva di decadimento e la quantità iniziale di carbonio presente nel fossile quando era vivo, si può capire quanti anni sono passati dalla morte di quell’organismo.

LA CHIMICA ORGANICA E LE BIOMOLECOLE

Il carbonio è fondamentale per la vita ed è al centro della chimica organica e delle biomolecole, essenziali per le funzioni vitali degli organismi: carboidrati, proteine, lipidi e acidi nucleici. I carboidrati, o zuccheri, sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, sono la principale fonte di energia, supportano la struttura degli organismi e si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Le proteine sono macromolecole complesse formate da una catena di amminoacidi e hanno funzioni diverse, come supportare la struttura e il movimento. I lipidi, o grassi, sono composti da lunghe catene di idrocarburi e hanno diverse funzioni tra cui quella energetica, strutturale e protettiva. Gli acidi nucleici, DNA e RNA, hanno la funzione di conservare l’informazione genetica; in particolare il DNA ha le istruzioni genetiche e l’RNA aiuta nella sintesi delle proteine.

GLI IDROCARBURI

Nella chimica del carbonio troviamo composti organici con carbonio, idrogeno e ossigeno (detti ternari), composti con anche l’azoto (detti quaternari) e composti formati solo da carbonio e idrogeno, gli idrocarburi che sono i più semplici. Questi si dividono in: - Alcani che hanno solo legami singoli, con formula molecolare Cₙ H₂ₙ₊₂ - Alcheni che hanno un legame doppio, con formula molecolare Cₙ H₂ₙ - Alchini che hanno un legame triplo, con formula molecolare Cₙ H₂ₙ₋₂ Un alchene che costituisce un’eccezione alla formula molecolare Cₙ H₂ₙ è il benzene C₆ H₆, un idrocarburo con una struttura a esagono, formato da legami tra atomi di C doppi e singoli che si alternano tra di loro; poi ogni atomo di carbonio ha un legame singolo con uno di idrogeno.

Un alcano, l'etano

Un alchene, l'etene

Un alchino, l'etine

unA recente SCOPERTA

Un recente studio effettuato da ricercatori della Rice University, ha scoperto qualcosa di eccezionale. In laboratorio hanno ricreato le condizioni di alta pressione e temperatura degli strati più profondi del pianeta; poi hanno compresso le rocce per simulare le condizioni presenti a circa 400km di profondità sulla Terra. Quindi ci si è chiesti da dove provenisse il carbonio presente nel mantello e nella biosfera, visto che al momento della formazione del nostro pianeta il carbonio o si è disperso nello spazio o è rimasto bloccato nel nucleo. L’unica soluzione possibile è che sia arrivato attraverso meteoriti o comete successivamente, almeno 100milioni di anni dopo la formazione del Sistema solare, riuscendo così a evitare il calore del magma terrestre. Valutando la concentrazione di elementi volatili come carbonio, zolfo, azoto e idrogeno si è concluso che un pianeta simile a Mercurio si sia scontrato con la Terra; ne è derivata la fusione dei nuclei che ha arricchito di carbonio il mantello terrestre.

Grazie per l'attenzione!

“La vita nell'universo esiste solo perché gli atomi di carbonio possiedono alcune eccezionali proprietà.” — James Jeans