Formeallotropichedelcarbonio(2)

1. LE FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO Il carbonio è un elemento della tavola periodica classificato come non metallo. La sua configurazione elettronica consente legami covalenti molto stabili sia con sé stesso sia con gli altri elementi. Il carbonio, infatti, forma un gran numero di composti, che partecipando a moltissime reazioni chimiche sono in grado di dare origine a moltissime sostanze. I composti possono essere: naturali (grafite), artificiali (disolfuro di carbonio che è un solvente non polare) e biomolecole (carboidrati). La struttura composta da atomi di carbonio può assumere molte forme fisiche. Questo fenomeno è indicato come varietà allotropica del carbonio. L'allotropia (dal greco allos, altro, e tropos, modo) è una caratteristica che indica la proprietà di alcune sostanze chimiche di esistere in diverse forme, i cui atomi appartengono ad uno stesso elemento chimico. L'aspetto morfologico spaziale o l’abitus cristallino costituisce una delle caratteristiche dei minerali, oltre alla composizione chimica. Il carbonio si presenta tipicamente in natura come grafite e diamante, ma esse costituiscono solamente due delle otto forme allotropiche: graphene, fullerene, ciclocarbonio, il carbyn , Q-carbon e nano-schiuma. Per definire al meglio i minerali dobbiamo classificarli anche con la scala di Mohs. La scala di Mohs rappresenta un sistema usato per classificare la durezza dei minerali e attribuisce un valore di durezza crescente dei materiali da 1 a 10. Il talco presenta una durezza 1 secondo Mohs e il diamante 10. La durezza è una delle proprietà principali dei minerali, definita come la resistenza di una superficie del materiale alla scalfittura, cioè a un'incisione. LA GRAFITE La grafite come minerale polimorfico è una forma di carbonio e, per la sua struttura, si divide in due tipi: esagonale (struttura esagonale), trigonale (contiene cellule romboedriche). La grafite è un minerale tenero, untuoso, grigio scuro, dalla lucentezza metallica e facilmente sfaldabile: la grafite è un buon conduttore dell’elettricità e del calore, inossidabile e resistente agli acidi, fusibile solo a circa 3000 °C. La grafite si trova in tutto il mondo in condizioni naturali, in rocce come: scisti di grafite e scisti cristallini. Gli scienziati hanno anche sviluppato un metodo artificiale per ottenere la grafite mediante il trattamento termico ad alta temperatura di sostanze come l’antracite, che contengono carbonio nella loro composizione. IL GRAPHENE Il graphene rappresenta il materiale più resistente leggero, sottile e veloce a condurre energia elettrica del futuro. Il graphene proviene dalla grafite, ma essi differiscono nella struttura: il primo ha una struttura bidimensionale, mentre il secondo tridimensionale. Il graphene è stato scoperto da due scienziati nel 2004 nell’università di Manchester da Andre Geim e Konstantin Novoselov. Loro volevano ottenere uno strato più sottile di grafite facendo un esperimento che consisteva nell’uso del nastro adesivo sulla polvere di grafite fino ad ottenere un singolo strato. In questo modo sono passati dalla struttura tridimensionale a quella bidimensionale. IL DIAMANTE I diamanti sono minerali che si formano in condizioni di alta pressione e temperatura. Sono costituiti solamente da carbonio e vengono estratti in diverse parti del mondo; costituiscono una struttura tetraedrica. I diamanti sono solitamente contenuti in particolari tipi di rocce, le kimberliti, originate dal raffreddamento di magmi poveri di silice provenienti dal mantello terrestre. I giacimenti diamantiferi possono essere primari o secondari: quelli primari sono i giacimenti in cui i diamanti si trovano all'interno della kimberlite (cioè la roccia magmatica che riempie i camini), mentre i secondari sono quelli che si originano a

2. partire dall'erosione dei giacimenti primari. Una volta erosi, i frammenti rocciosi vengono trasportati dai fiumi anche a grandi distanze e possono accumularsi in depositi ghiaiosi o sabbiosi. Per stimare il valore di un diamante bisogna utilizzare diversi criteri come ad esempio il carato, inizialmente il carato veniva pesato prendendo come unità di misura il seme del carrubo che pesa 0,2 grammi; quindi, un diamante da un grammo equivale a 5 carati. I FULLERENI I fullereni sono solidi traslucidi marroni o neri con una lucentezza metallica. Le loro molecole sono costituite da una maggiore quantità di atomi di carbonio. Questa varietà di carbonio allotropico scoperta relativamente di recente è costituita da molte strutture diverse. Le particelle sferiche C60 che formano cristalli, note anche come "buckyball", sono considerate le più resistenti. Inoltre, i fullereni possono assumere anche una forma multistrato (le cosiddette nanobolle) o cilindrica (i cosiddetti nanotubi). I fullereni hanno una bassa attività chimica e sono insolubili in acqua. Hanno proprietà di semiconduttore (sostanze solide la cui conducibilità elettrica è intermedia fra quella di un metallo e quella di un isolante) e superconduttore (sono materiali che, a una certa temperatura, iniziano a trasportare correnti elettriche senza resistenza, e quindi senza produrre calore residuo). IL CICLOCARBONIO Una varietà di carbonio allotropico ancora più recente del grafene è chiamata ciclocarbonio. Forma un anello composto da 18 atomi di carbonio. All’interno ci sono legami singoli e tripli alternati tra di loro. Come il grafene, il ciclocarbonio ha uno spessore di un solo atomo. Tuttavia, le prime stime mostrano che si tratta di un semiconduttore. Le sue altre proprietà rimangono sconosciute. Secondo gli scienziati, sarà possibile creare ciclocarburi con diversi numeri di atomi nell’anello. I loro potenziali usi includono la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. ALTRE FORME ALLOTROPICHE Un polimero interessante, rimasto finora nell’ambito di considerazioni ipotetiche, è il carbyne . Questo nome si riferisce a una catena composta da atomi di carbonio con una forza potenziale 40 volte maggiore di quella di un diamante. Tuttavia, questo materiale è così instabile che finora è stato prodotto solo all’interno del nanotubo (strutture tubolari aventi un diametro del tubo che va da qualche nanometro a qualche decina di nanometri). Un’altra promettente varietà allotropica del carbonio è la cosiddetta Q-carbon. Ha una struttura tridimensionale in cui gli atomi di carbonio formano tre ligandi (rappresenta un atomo, ione o molecola che generalmente dona i suoi elettroni per formare un legame di coordinazione). Le sue probabili applicazioni includono il miglioramento dell’accumulo di energia nelle batterie a litio. Inoltre, conosciamo anche la nano-schiuma di carbonio, una struttura cristallina porosa con proprietà magnetiche. L’UTILIZZO NELLE INDUSTRIE LA GRAFITE Per le sue proprietà specifiche, le grafiti naturali e sintetiche sono di grande interesse per i produttori di diversi settori. Questo minerale è utilizzato, tra gli altri, nella produzione di: lubrificanti utilizzati nella manutenzione di veicoli, attrezzature e macchinari; polistirolo di grafite, utilizzato per l’isolamento degli edifici; elettrodi di grafite; impregnanti e vernici anticorrosione. La grafite ignifuga (sostanza che ha la proprietà di rendere un materiale resistente al fuoco o di limitare lo sviluppo di una combustione) è usata anche come reagente nei laboratori chimici e come moderatore, cioè moderatore di neutroni nei reattori nucleari. Questa materia prima viene utilizzata anche come componente nella

3. produzione di parti di macchinari ed apparecchi elettrici (soprattutto quelli funzionanti ad alte temperature). IL GRAPHENE Il graphene è un materiale leggero, flessibile e impermeabile. Degli studi dimostrano che questo elemento allotropico riesca ad effettuare la desalinizzazione dell’acqua di mare, un processo veloce e poco costoso (ciò elimina il problema dell’acqua). Inoltre, viene utilizzato per creare arti umani con sensori nervosi a base di graphene che permettono di controllarli. È un materiale che ha elevata elasticità, infatti in futuro si potrebbero creare smartphone sottili e leggeri con schermi resistenti e batterie più durature; inoltre, la ricarica avverrebbe in pochi secondi, con connessione veloce per le telecomunicazioni. IL DIAMANTE L’uso industriale del diamante è legato principalmente alle sue caratteristiche di durezza, ossia alla sua resistenza all’usura. Questo, infatti, è un parametro fondamentale per tutte quelle applicazioni dove è presente un’interazione meccanica fra più corpi. Per esempio, gli utensili per le lavorazioni di perforazione, taglio e molatura o per lucidare dei metalli preziosi. Inoltre, gli utensili con punta in diamante avendo una buona conducibilità termica sono anche ottimi per dissipare il calore, generato durante le lavorazioni meccaniche. Diamanti di qualità inferiore e cristalli di derivazione sintetica sono anche un’importante materia prima industriale. Per la loro durezza, vengono utilizzati nella produzione di lame, trapani e abrasivi. I diamanti vengono utilizzati anche per produrre elementi di apparecchiature mediche e scientifiche. I FULLERENI I fullereni sono ampiamente utilizzati nell’industria elettronica, ottica, biomedica e nanotecnologica. Il loro potenziale antiossidante e farmacologico merita particolare attenzione. A causa della loro struttura e biocompatibilità, possono fungere da vettori di farmaci. I fullereni si ottengono principalmente dal nerofumo (polvere sottilissima costituita principalmente da carbonio). A tale scopo vengono utilizzati numerosi solventi che consentono la separazione di specifici tipi di molecole. In alternativa, possono essere ottenuti da un altro allotropo di carbonio: la grafite bombardata con un raggio laser nel vuoto.