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FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO Il carbonio è un elemento non metallico abbondante in natura. È il quarto elemento più abbondante nell’universo e svolge un ruolo fondamentale nella sopravvivenza del pianeta attraverso il ciclo del carbonio. Questo ciclo è molto complesso e illustra l’interconnessione tra gli organismi sulla Terra. Il numero atomico di questo elemento è 6, ed è rappresentato dal simbolo “C” sulla tavola periodica. La struttura delle molecole del carbonio è tale che le molecole si legano facilmente con molti altri elementi, formando migliaia di composti. Le molecole si legano anche tra loro in modi diversi, creando forme di carbonio come i diamanti, la sostanza più dura sulla Terra, e la grafite, uno dei materiali più morbidi del pianeta. Il carbonio non è molto pericoloso, dato che non è tossico e non è reattivo, anche se alcune forme possono essere dannose per alcuni organismi, come il monossido di carbonio (CO). L’elemento può anche legarsi con elementi più pericolosi, o generare polveri nocive nel caso di carbone e diamanti. Le forme allotropiche del carbonio sono: diamante, grafite e graphene. Per forma allotropica, dal greco allos (altro) e tropos (modo), si intende una delle forme sotto cui può presentarsi un elemento chimico che differisce dalle altre per struttura cristallina e proprietà chimiche e fisiche. IL DIAMANTE Il diamante è un solido reticolare i cui atomi sono legati tra loro da legami covalenti che danno vita a un reticolo esteso all’intero cristallo. I solidi reticolari manifestano la forza dei loro legami covalenti con la grande durezza e rigidità dei materiali che configurano e sono caratterizzati da un punto di fusione e di ebollizione elevato. Nel diamante ciascun atomo di carbonio è legato tramite un legame covalente a quattro altri atomi di carbonio contigui tutti ibridati sp3 tramite legami σ. Il diamante è un solido rigido, trasparente, elettricamente isolante. È la sostanza più dura che si conosca infatti occupa l’ultimo posto nella scala di Mohs. Questa scala fu ideata nel 1812 dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs ed è ancora oggi utilizzata e tiene conto della durezza dei materiali: la scala prende a riferimento dieci progressivamente secondo la loro durezza. materiali che sono ordinati
Il diamante è il miglior conduttore di calore, questa proprietà ne fa l’abrasivo ideale, in quanto può scalfire e incidere altre sostanze smaltendo rapidamente il calore generato. I diamanti naturali si trovano principalmente nella kimberlite primaria e nei depositi di briciole formati dalla traslocazione. Il peso del diamante si misura in carati (1 carato = 0.20 g). Il costo della pietra non è proporzionale alla caratura: infatti poiché i grossi diamanti sono rari all’aumentare della caratura il prezzo aumenta in maniera più che proporzionale.
LA GRAFITE La grafite è caratterizzata da una struttura stratificata in cui ogni strato si trova in un reticolo cristallino detto a nido d'ape. Rappresenta il grado 1 di durezza nella scala di Mohs. Ciascun atomo di carbonio è ibridato sp2 ed è legato, tramite legame covalente, ad altri 3 atomi di carbonio tramite legame σ. I vari strati sono legati da legami deboli di van der Waals e perciò la grafite è un materiale tenero, untuoso al tatto, nonché dalla sfaldatura molto agevole in quanto gli strati possono scorrere l’uno sopra all’altro, con facilità. La caratteristica più evidente di questo minerale è quello di lasciare delle tracce grigie nel momento in cui viene messo a contatto con altri oggetti. Infatti, il termine grafite arriva dal greco “graphein” che significa appunto “scrivere”. Inoltre, presenta una temperatura di fusione superiore ai 3000 °C ed è un buon conduttore di calore. È utilizzata anche nelle matite insieme all’argilla. Quanto più alto è il contenuto di grafite tanto maggiore è morbida la matita e scura la sua traccia. Reagisce con il vapore acqueo contenuto nell’atmosfera con formazione di un film sottile che riesce a depositare su qualsiasi superficie riducendone l’attrito.
IL GRAPHENE Nel 2010 Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per i loro studi su questo materiale. Già dai primi studi compiuti sul grafene si erano intuite le grandi potenzialità del materiale. Infatti, assume un comportamento diverso a seconda del materiale con cui è in contatto. I due ragazzi scoprirono che attaccando e staccando due pezzi di scotch con in mezzo un fiocco di grafite, si ottenevano strati sempre più sottili, che potevano poi essere trasferiti su un pezzo di silicio. In un singolo foglio di graphene, il movimento degli elettroni è bidimensionale. Può condurre elettroni più velocemente del silicio, e trasportare calore meglio del rame. Il graphene è molto stabile meccanicamente: un singolo foglio di graphene, spesso quanto un solo atomo, può essere manipolato e deformato, resistendo a pressioni anche elevate. Per via della sua struttura compatta è praticamente impermeabile alle molecole e a tutti i gas. La prima idea per utilizzare il graphene è stata quella di sfruttare l’enorme mobilità delle sue cariche per realizzare transistor e microchip più veloci di quelli del silicio, oggi alla base di tutti i computer e telefoni. Però, al contrario di quanto si possa pensare, il graphene non andrà a sostituire il silicio, bensì sarà utilizzato in applicazioni impossibili per il silicio, ad esempio per dispositivi elettronici su plastica, che possano essere più flessibili e resistenti.
SITOGRAFIA Carbonio (chimica-online.it) Il diamante: uno degli stati allotropici del carbonio - Chimicamo Stati allotropici del carbonio (chimicamo.org) Grafene: usi e proprietà - Chimicamo Cos'è il carbonio? - Spiegato https://grafene.cnr.it/il-grafene-proprieta-e-applicazioni/le-applicazioni/
