Le forme allotropiche del carbonio

1. LE FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO  REALIZZATO DA: SAMUEL ADDUCCHIO ANDREA ADDUCCHIO LORENZO TECCARELLI

2. Il Carbonio Ogni decennio che passa vengono scoperte nuove varietà allotropiche del carbonio . Oggi il loro numero ipotetico è già stimato intorno ai 500. Non esiste un altro elemento così versatile al mondo. Il carbonio (C) è un elemento classificato come non metallico con numero atomico 6. Ciò significa che ha sei protoni nel nucleo e lo stesso numero di elettroni nella forma non ionizzata. Sebbene sia relativamente raro nella crosta terrestre, forma più composti di qualsiasi altro elemento . È un elemento chiave di tutti gli organismi viventi; costruisce la struttura di proteine, carboidrati e grassi. È presente nell’atmosfera sotto forma di anidride carbonica (CO 2 ), che è una delle fasi del ciclo del carbonio in natura.

3. L'allotropia del carbonio La struttura composta da atomi di carbonio può assumere molte forme fisiche. Questo fenomeno è indicato come varietà allotropiche di carbonio . L’allotropia è un fenomeno che colpisce un gran numero di metalli e non metalli. Si verifica quando diverse varietà di un dato elemento sono presenti con la stessa composizione chimica  e  proprietà  fisiche diverse . Possono avere una struttura cristallina o molecolare e differire per il numero di atomi nella molecola. Le varietà di carbonio allotropico più conosciute presenti in natura sono la grafite, il grafene e il diamante , estremamente differenti per colore, struttura e morbidezza.

4. Il diamante : proprietà e struttura Il diamante è una macromolecola composta interamente da carbonio. Nel diamante, ogni atomo di carbonio forma quattro legami covalenti singoli con gli altri atomi di carbonio che lo circondano, dando vita a un reticolo gigante che si estende in tutte le direzioni.Si presenta come cristalli ottaedrici o esaedrici con elevata lucentezza e trasparenza parziale. I diamanti più preziosi sono incolori , ma a causa della contaminazione possono anche diventare gialli, rosa, blu o marroni.  È bene ricordare che i legami covalenti sono estremamente forti. Per questo motivo, il diamante ha determinate proprietà: • Elevati punti di fusione e di ebollizione: Questo perché i legami covalenti richiedono molta energia per essere superati e, di conseguenza, il diamante è solido a temperatura ambiente. • Duro e forte: grazie alla forza dei suoi legami covalenti. • Insolubile: in acqua e solventi organici. • Non conduce elettricità: Questo perché non ci sono particelle cariche libere di muoversi all'interno della struttura.

5. Grafite : proprietà e struttura Non è un caso che la grafite solitamente associata ad una matita sia un minerale morbido, grigio-nero , untuoso e sporco al tatto. Inoltre è un ottimo conduttore di elettricità e calore, è insolubile in acqua ed ha proprietà lubrificanti. Si presenta in due tipi di strutture: esagonale e trigonale, e i suoi atomi sono collegati tra loro in una rete di piani paralleli. Gli atomi di carbonio formano uno strato esagonale 2D, quasi come un foglio di carta. Le sue proprietà includono: • È morbido e sfaldabile. Sebbene i legami covalenti tra gli atomi di carbonio siano molto forti, le forze intermolecolari tra gli strati sono deboli e non richiedono molta energia per essere superate. È quindi molto facile che gli strati scivolino l'uno sull'altro e si sfreghino, ed è per questo che la grafite viene usata come mina nelle matite. • Ha punti di fusione e di ebollizione elevati. Questo perché ogni atomo di carbonio è ancora legato ad altri tre atomi di carbonio con forti legami covalenti, proprio come nel diamante. • È insolubile in acqua, proprio come il diamante. • È un buon conduttore di elettricità. Gli elettroni delocalizzati sono liberi di muoversi tra gli strati della struttura e trasportano una carica.

6. Grafene : proprietà e struttura Un singolo foglio di grafite è chiamato grafene. È il materiale più sottile mai isolato, con uno spessore di un solo atomo. Il grafene ha proprietà simili a quelle della grafite. Ad esempio • È un ottimo conduttore di elettricità;  • Ha una bassa densità;  • È flessibile ed estremamente resistente per la sua massa. In futuro si potrebbero trovare dispositivi elettronici indossabili fatti di grafene incorporati nei vestiti. Attualmente lo utilizziamo per la somministrazione di farmaci e per i pannelli solari.

7. La scala di Mohs La scala di Mohs è un indice utilizzato per stimare rapidamente la durezza di un minerale. La scala fu introdotta nel 1812 dal minerologo tedesco Friderich Mohs, e a oggi è il metodo più diffuso per distinguere rapidamente i minerali in base alla loro durezza. La scala di Mohs comprende 10 minerali di riferimento, ai quali sono stati attribuiti valori progressivi da 1 a 10 in base alla loro durezza. Il talco è il minerale più morbido, con una durezza pari a 1. Il diamante, invece, è il minerale naturale più duro al mondo e ha un valore di durezza Mohs pari a 10. 

8. L'utilizzo dei minerali nell'industria I minerali per l’industria sono una risorsa naturale presente praticamente in ogni singolo prodotto che utilizziamo nella nostra vita quotidiana. Sono una parte indispensabile di molti processi industriali e sono quindi di vitale importanza per l’economia italiana ed europea. Il ruolo svolto dai minerali industriali nel continuare a creare materiali e prodotti intelligenti e multifunzionali sarà un elemento essenziale di una crescita sostenibile e innovativa. Saranno necessarie tecnologie innovative molte delle quali saranno impossibili da sviluppare senza applicazioni di minerali industriali per adattarsi ad un mondo in rapido cambiamento. 

9. La scoperta del grafene      Nel 2004 due scienziati russi emigrati a Manchester, Andrej Gejm e il suo studente Konstantin Novosëlov, cercarono di ottenere delle strutture molto sottili di grafite. L’idea era di paragonare le proprietà di strati sottili e piatti di grafite con quelle dei nanotubi di carbonio, già noti da tempo. Per assottigliare sempre più delle scaglie di grafite Gejm e Novosëlov provarono a usare del nastro adesivo, un metodo molto semplice ma efficace. 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. Il procedimento funzionò; Gejm e Novosëlov trovarono fogli abbastanza larghi da essere visibili otticamente ma spessi solo tre, due, o anche un solo atomo di carbonio. Grazie alla facilità del metodo di produzione riuscirono a studiare le proprietà elettriche di un singolo foglietto di grafene.       Il “metodo dello scotch” utilizzato a Manchester, era così semplice ed efficace che lo studio di questo materiale è cresciuto molto rapidamente, e ora centinaia di laboratori nel mondo si dedicano a vari aspetti della ricerca sul grafene.

10. SITOGRAFIA • https://www.skuola.net • https://grafene.cnr.it • https://www.chimica-online.it • https://geopop.it • Https://www.products.pcc.eu