Carbonio
Proprietà e impieghi del carbonio
Noto come carbone fin dalla preistoria, il carbonio è un elemento poco abbondante (circa 0,032% della crosta terrestre), ma diffusissimo e fondamentale in natura, dove esiste sia allo stato elementare nelle due forme cristalline del diamante e della grafite (che rappresentano le due forme allotropiche principali) e in quelle impure microcristalline dei carboni fossili, sia combinato negli idrocarburi solidi, liquidi e gassosi (petroli, asfalti, gas naturali ecc.), nei carbonati di calcio (calcite, aragonite, calcari), di calcio e magnesio (dolomite) e di altri elementi, come biossido di carbonio nell'atmosfera (circa lo 0,05%, 0,033% in peso) e disciolto nelle acque superficiali.
Inoltre è contenuto, soprattutto sotto forma di composti organici, in tutti gli organismi viventi animali e vegetali.
Forme allotropiche del Carbonio
Nella forma del diamante, ogni atomo è unito tetraedricamente (tramite orbitali ibridi sp3) ad altri quattro atomi di carbonio; si ha così un cristallo covalente, molto duro, ad alto punto di fusione e con tipiche caratteristiche di isolante elettrico. Per approfondimenti si veda: struttura del diamante.
La grafite, che è tenera e facilmente sfaldabile, è un buon conduttore elettrico, ed è la forma termodinamicamente stabile a temperatura ambiente. Ha una struttura bidimensionale a strati legati tra loro da deboli forze di Van der Waals; all'interno di ogni strato ogni atomo è legato (tramite orbitali ibridi sp2) ad altri tre atomi, mentre un elettrone per ogni atomo è delocalizzato su tutto il piano.
Una struttura tipo grafite è presente nei carboni fossili, che sono in parte microcristallini e contengono numerose impurezze, e nei cosiddetti carboni attivi. Questi ultimi hanno una enorme superficie specifica, che presenta solitamente anche gruppi funzionali: per tali motivi essi possiedono un elevato potere adsorbente verso gas e vapori e numerose sostanze disciolte in soluzioni.
Un'altra forma allotropica del carbonio recentemente individuata è quella del fullerene.
Le forme di carbonio amorfo (o parzialmente cristallino) sono il nerofumo, il carbone animale, il coke, i carboni attivi.
Composti del carbonio
Data la sua posizione nel sistema periodico, il carbonio forma quasi esclusivamente composti con legame covalente, tranne che nel caso di alcuni carburi metallici nei quali esistono ioni C4− e C22−.
Nella formazione di quattro legami covalenti il carbonio può dar luogo a ibridazione sp3 tetraedrica (per esempio nel metano, CH4), oppure a ibridazione sp2 trigonale piana (per esempio nell'etilene, CH2=CH2, con formazione anche di un legame di tipo π), oppure, infine, a ibridazione sp lineare (per esempio nell'acetilene con formazione di due legami π).
Carbonio
Il numero di composti del carbonio conosciuti è tanto grande da far sì che la chimica del carbonio, con tutti i suoi composti classificati come "composti della chimica organica" costituisca una branca a sé della chimica, la chimica organica; pertanto in questa sede verranno descritti solo alcuni tra i più semplici composti che possono essere classificati come composti inorganici del carbonio.
Monossido di carbonio CO, è un gas incolore e inodore, di densità 0,967 g/cm3; si forma per combustione del carbonio o dei suoi composti in difetto di ossigeno, oppure quando la combustione avviene ad altissime temperature.
Si può ottenere anche per riduzione di alcuni ossidi metallici con carbonio, o facendo venire a contatto vapore acqueo con carbone rovente, secondo la reazione C + H2O → CO + H2 ; la miscela di monossido di carbonio e idrogeno che si sviluppa dalla reazione è usata come combustibile con il nome di gas d'acqua. Con l'ossigeno forma una miscela esplosiva. Brucia all'aria con fiamma azzurra caratteristica, producendo biossido di carbonio. Viene impiegato in siderurgia, nella produzione di alcol metilico e di ammoniaca. È molto tossico e le normali maschere antigas devono utilizzare speciali filtri a base di ossido di manganese e rame, che trasformano il monossido di carbonio in biossido di carbonio.
Anidride carbonica CO2, nome tradizionale, ancora utilizzato del biossido di carbonio, gas incolore e inodore, più pesante dell'aria (densità = 1,977 g/dm3), che si forma per combustione del carbonio o dei suoi composti in eccesso di ossigeno. Nell'atmosfera terrestre l'anidride carbonica è presente con una concentrazione media (costante con la quota) di 330 ppm, concentrazione che è sempre in aumento a causa del consumo di combustibili fossili. Gli effetti di questo aumento, che sarebbe maggiore se buona parte del biossido di carbonio non si sciogliesse negli oceani, sono identificati con i problemi relativi all' "effetto serra". L'anidride carbonica viene usata nella produzione di bevande gassate e dell'acqua minerale, compressa in estintori viene utilizzata come mezzo antincendio.
Con gli alogeni il carbonio forma, seppure non per combinazione diretta, diversi composti. Tra essi si possono ricordare il tetracloruro di carbonio CCl4, che trova impiego come antiparassitario, come mezzo antincendio e come solvente, e viene preparato industrialmente per clorurazione del metano o di altri idrocarburi, oppure dal solfuro di carbonio (CS2), secondo la reazione
CS2 + 3 Cl2 → CCl4 + S2Cl2
Un importante tetralogenuro misto è il dicloro-difluorometano (CCl2F2), che si prepara facendo reagire il tetracloruro di carbonio con l'acido fluoridrico; si tratta di un importante e assai utilizzato fluido frigorifero, noto col nome commerciale di freon.
Il solfuro di carbonio CS2, che si prepara industrialmente per sintesi degli elementi o, negli impianti più moderni, per reazione tra metallo e zolfo, trova impiego come antiparassitario e nella preparazione del rayon.
L'ossicloruro di carbonio COCl2, più noto come fosgene, si ottiene facendo reagire ossido di carbonio e cloro gassoso e fu usato durante la prima guerra mondiale come aggressivo chimico potentissimo: nonostante la sua tossicità, è ancora impiegato in chimica industriale come intermedio per la preparazione di importanti composti organici.
I carburi sono i composti del carbonio con elementi a carattere meno elettronegativo.
I carburi ionici o salini sono formati con gli elementi del I gruppo, II gruppo e III gruppo del sistema periodico (per es. Li2C2, K2C2). Reagiscono con l'acqua dando acetilene e quindi sono chiamati acetiluri. Altri carburi ionici, detti anche metanuri, (come quelli di alluminio Al4C, e di berillio Be2C) contengono lo ione C4− e con acqua o acidi liberano metano (da cui il nome); altri ancora danno con acqua o acidi altri idrocarburi.
I carburi metallici sono quelli di titanio, zirconio, vanadio, molibdeno, tungsteno, cromo, manganese, ferro (leghe ferro-carbonio): sono caratterizzati da struttura cristallina di tipo metallico (a impacchettamento molto compatto), elevata durezza, in essi gli atomi di carbonio si sistemano negli interstizi tra gli atomi metallici, da cui il nome di "interstiziali" dato a questi composti. Non reagiscono con l'acqua e con gli acidi.
I carburi covalenti più importanti sono quelli di silicio e boro, sostanze durissime e altofondenti usate come materiali abrasivi e refrattari.
Datazione di reperti archeologici con il radiocarbonio
Nel carbonio naturale, oltre ai due isotopi stabili (12C e 13C, si veda: isotopi del carbonio), si trova un isotopo radioattivo (14C o radiocarbonio), che viene continuamente prodotto nell'atmosfera per cattura di neutroni della radiazione cosmica da parte dei nuclei di N-14.
La quantità di C-14 presente nell'atmosfera è costante e tutti gli organismi viventi che partecipano al ciclo del carbonio, cioè che emettono o assorbono biossido di carbonio, contengono nei loro tessuti la medesima, piccola quantità di C-14.
Con la morte, tale ciclo si interrompe e quindi la percentuale di C-14 in esso contenuta comincia a diminuire, dimezzandosi ogni 5730 anni. Misurando la percentuale di C-14 ancora presente in un reperto archeologico di origine organica, fossile ecc. è quindi possibile stimare il tempo intercorso dalla sua morte.
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