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Carbonio

Generale
Nome, Simbolo, N° AtomicoCarbonio, C, 6
Serie chimicametalloidi
Gruppo, Periodo, Blocco14 (IVA), 2, p
Densità, Durezza2267 kg/m3, 0,5 (grafite) 10,0 (diamante)
Colorenero (grafite), incolore (diamante)
Proprietà atomiche
Peso atomico12,0107 amu
Raggio atomico70 pm
Raggio covalente77 pm
Raggio di van der Waals170 pm
Configurazione elettronicaHe2s22p2
e- per livello energetico2, 4
Stato di ossidazione4, 2 (lievemente acido)
Struttura cristallinaEsagonale
Proprietà fisiche
Stato di aggregazionesolido (non magnetico)
Punto di fusione3773 K, (3499,85 °C)
Punto di ebollizione5100 K, (4826,85 °C)
Volume molare5,29 ×10-3 m3/mol
Calore di vaporizzazione355,8 kJ/mol
Calore di fusionesublima
Pressione del vapore0 Pa
Velocità del suono18350 m/s
Varie
Elettronegatività2,55 (Scala di Pauling)
Capacità calorica specifica710 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica0,061 ×106 ohm
Conducibilità termica129 W/(m*K)
Prima energia di ionizzazione1086,5 kJ/mol
Seconda energia di ionizzazione2352,6 kJ/mol
Terza energia di ionizzazione4620,5 kJ/mol
Quarta energia di ionizzazione6222,7 kJ/mol
Quinta energia di ionizzazione37831 kJ/mol
Sesta energia di ionizzazione47277 kJ/mol
Isotopi stabili
isoNATDDMDEDP
12C98,9%C stabile con 6 neutroni
13C1,1%C stabile con 7 neutroni
14Ctracce5730 anniβ-0,15614N
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 l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come simbolo C e come numero atomico il 6. E' un elemento nonmetallico, tetravalente. Il carbonio ha tre (o quattro) forme allotropiche:

  • diamante (Il minerale pi duro che si conosca)
  • grafite (Una delle sostanze pi 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 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 pi di 10 milioni di composti). Unito all'ossigeno forma l'anidride carbonica che 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 comunemente usato per la datazione radioattiva.

Table of contents
1 Caratteristiche
2 Applicazioni
3 Storia
4 Allotropi
5 Disponibilità
6 Composti Inorganici
7 Catena del carbonio
8 Ciclo del carbonio
9 Isotopi
10 Precauzioni

Caratteristiche

Il carbonio un elemento notevole per vari motivi. Le sue differenti forme includono una delle pi soffici (grafite) e una delle pi 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. Qusete 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 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 perch ciò accadesse. E' comunque prodotto all'interno delle stelle che trasfomano i nuclei di elio in carbonio tramite il processo triplo alfa.

Applicazioni

Il carbonio 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 in forma di idrocarburi, principalmente combustibili fossili, gas metano e petrolio. Il petrolio 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 usato nella datazione al radiocarbonio.
  • La grafite 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 20%, si ottiene la ghisa che ha ottima colabilità e resistenza all'usura.
  • Il carbonio utilizzato nelle barre di raffreddamento delle centrali nucleari.
  • In forma di carbone 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 essenzialmente grafite, ma non ne mantiene la macrostruttura cristallina. E' 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 legato ad altri tre in un piano composto di anelli esagonali fusi assieme, come quelli degli idrocarburi aromatici. Le due forme onosciute 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 riscaldata sopra i 1000 °C.

    A causa della delocalizzazione della nuvola-pi, la grafite conduce l'elettricità. Il materiale 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 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, assieme al nitruro di boro la sostanza pi dura in termini di resistenza allo sfregamento. La transiziona alla grafite, a temperatura ambiente, 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 foramzioni 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. I loro nome 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, uno dei principali componenti di carbonato, rocce, calcare, marmo, ecc. Combinato con l'idrogeno forma petrolio, carbone, gas naturale e altri composti collettivamente chiamati idrcarburi.

    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 l'anidride carbonica, CO2. Essa 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 pi atomi di ossigeno legati a un atomo di carbonio, 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 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 lattici 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 pi corte. I grassi catene pi 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 adotto l'isotopo carbonio-12 come base per la misura del peso atomico. Il carbonio-14 un radioisotopo con tempo di decadimento di 5715 anni ed stato usato intensivamente per la datazione di legno, specie e siti archeologici.

    Il carbonio ha due isotopi stabili, disponibili in natura: C-12 (98.89%) e C-13 (1.11%). Durante la fotosintesi, il carbonio che si fissa al tessuto delle piante viene espulso nell'atmosfera in forma di C-13

    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 (HCCH), e metano (CH4) sono esplosivi e infiammabili se miscelati con l'aria.


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