IL CARBONIO E’ un non metallo, appartiene al IV gruppo ed al II periodo. Possiede 4 elettroni esterni per cui può formare 4 legami covalenti polari. E’ l’elemento della vita in quanto, insieme all’ossigeno, azoto e idrogeno costituisce i principali composti chimici che costituiscono i viventi: CARBOIDRATI, LIPIDI, PROTEINE e ACIDI NUCLEICI.

CARATTERISTICHE DEL CARBONIO Rappresenta lo 0,2% della crosta terrestre e lo 0,04% dell’atmosfera. Allo stato elementare può essere cristallino o amorfo. Il carbonio puro fino al 1990 era noto sotto forma di 2 minerali: il diamante e la grafite in relazione agli intervalli di temperatura e pressione ai quali cristallizzava. Dopo tale data è stato isolato un terzo stato allotropico che si presenta sotto forma di particolari strutture poliedriche: FULLERENE.

IL DIAMANTE Si presenta sotto forma di cristalli trasparenti ove ogni atomo di carbonio forma legami covalenti con altri atomi di carbonio in una struttura rigida e molto compatta a forma di tetraedro (i legami molto forti lo rendono il minerale più duro tanto da occupare l’ultimo posto nella scala di Mohs). È molto resistente agli agenti atmosferici, non conduce la corrente elettrica ed ha una densità 3,5 volte maggiore di quella dell’acqua. Viene usato come gemma preziosa ma anche nella produzione di punte di trapani e utensili da taglio.

LA GRAFITE Si presenta opaca, grigia, molto tenera, untuosa al tatto in quanto la sua struttura cristallina assume una forma esagonale a strati paralleli, che sono, però, piuttosto distanti l’uno dall’altro e ne determinano le caratteristiche come minerale molto fragile, tenero e sfaldabile. La grafite, inoltre, conduce l’elettricità e presenta un’alta temperatura di fusione (3500° C). Viene usata per la fabbricazione delle matite, nelle industrie siderurgiche, come lubrificante, costruzione di pile ecc.

ALLOTROPIA

Geometria molecolare – molecole pentaatomiche Planare quadrata Tetraedrica

Geometria molecolare – molecole triatomiche Lineare, es. CO2 Piegata, es. H2O

Struttura tetraedrica in rotazione

I FULLERENI Sono stati scoperti nel 1990 a partire dal benzene. Sono degli aggregati cristallini che contengono almeno 60 atomi di carbonio, ma anche molti di più. Il loro nome deriva dall’analogia con la forma della cupola geodetica progettata dall’architetto americano Fuller. I fullereni più conosciuti sono: C60 (formato da 20 esagoni a forma di un pallone da calcio) e C70 (formato da venticinque esagoni a forma di pallone da rugby). Altre strutture più complesse sono state scoperte mediante l’analisi ai raggi laser: si tratta di i fullereni giganti incapsulati l’uno dentro l’altro contenenti anche sino a 1000 esagoni con forme poliedriche molto complesse. Possono comportarsi sia da isolanti, sia da conduttori o semiconduttori di elettricità.

Gli atomi di carbonio realizzano diversi tipi di legami formando sostanze che, pur avendo la stessa composizione elementare, presentano proprietà differenti. Il diamante, che vanta il massimo valore di durezza, è costituito da una rete tridimensionale di atomi di carbonio fortemente legati. Nella grafite, invece, gli atomi sono disposti su una struttura a strati esagonali debolmente legati e quindi facilmente sfaldabili. Altre forme allotropiche del carbonio sono i fullereni, in cui gli atomi sono distribuiti su superfici sferiche o cilindriche. Nel buckminsterfullerene ad esempio, 60 atomi di carbonio formano un solido a 32 facce (20 esagoni e 12 pentagoni).Encarta Enciclopedia Microsoft® Encarta® Enciclopedia. © 1993-2002 Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.

CARBONIO AMORFO Si ricava come prodotto artificiale dalla carbonizzazione di alcuni composti organici come la legna o lo zucchero. Si può trovare anche come deposito naturale sotto diverse forme chiamate Carboni fossili. Essi differiscono tra loro per epoca di formazione, per il diverso contenuto di carbonio e per il loro potere calorifico. In ordine crescente in percentuale di carbonio abbiamo: TORBA, LIGNITE, LITANTRACE e ANTRACITE.

ISOTOPI DEL CARBONIO Il carbonio è molto importante nel settore scientifico, infatti il suo isotopo più comune, il carbonio 12, è stato scelto come standard per i pesi atomici ( massa atomica relativa). Gli isotopi 13 e 14, ma soprattutto il 14, noto anche come radiocarbonio, sono prodotti continuamente nell’atmosfera a causa delle radiazioni cosmiche che modificano l’azoto atmosferico. Essi, inoltre, sono incorporati in tutti i viventi e nella crosta terrestre e consentono di definire l’età dei fossili e di altri materiali organici (metodo della datazione mediante il radiocarbonio).

COMPOSTI OSSIGENATI DEL CARBONIO Sono: CO e CO2 L’ossido di carbonio CO è un gas incolore, inodore estremamente tossico in quanto, quando si trova in eccesso nell’ambiente, si lega all’emoglobina del sangue al posto dell’ossigeno bloccando la respirazione. E’ un gas altamente inquinante e proviene dai gas di scarico dei veicoli a motore. Annualmente ne vengono immessi nell’atmosfera circa 350 milioni di tonnellate. Si ottiene dalla combustione, in difetto d’aria, di sostanze contenenti carbonio: C + H2O  CO + H2

ANIDRIDE CARBONICA E’ il prodotto principale della combustione, in eccesso di ossigeno, di tutti i prodotti contenenti carbonio. E’ un gas incolore, di odore pungente, più pesante dell’aria, solubile in acqua ove è presente in parte come acido carbonico. Preparazione: CaCO3 + HCl  CaCl2 + H2O +CO2 Viene commercializzata allo stato liquido compressa nelle bombole, è utilizzata come refrigerante, come additivo nelle bevande gassate ed è usata negli estintori. Allo stato solido viene commercializzata col nome di ghiaccio secco che a -79°C passa allo stato gassoso senza fondere.