LA GRAFITE

1. LA GRAFITE

2. GRAFITE… non solo matite!

3. COSA E’ In natura il carbonio esiste in diverse forme, dette allotropiche, di cui la più stabile è la GRAFITE

4. DOVE SI TROVA • Si trova comunemente in natura; • è ampiamente distribuita nel mondo; • importanti giacimenti si trovano in Sri Lanka, in Madagascar, in India, in Russia, negli Stati Uniti, in Messico ed in Corea del Sud

5. PRODUZIONE ARTIFICIALE • Viene anche prodotta artificialmente riscaldando a lungo polvere di carbone e derivati del petrolio (pece e catrame) prima a 800°C e poi a 2500°C.

6. SI USA SOPRATTUTTO … • … per la produzione di mine per matite

7. … per la fabbricazione di elettrodi per pile a secco

8. … per la costruzione di oggetti che devono resistere alle alte temperature, ad esempio i crogiuoli impiegati nella fusione dei metalli

9. … come lubrificante solido di parti meccaniche, anche in aggiunta a grassi lubrificanti

10. LE PROPRIETÀ DELLA GRAFITE L’utilizzo di un materiale è legato alle sue proprietà macroscopiche e al suo comportamento in relazione alle condizioni ambientali o di lavorazione.

11. LE PROPRIETÀ DELLA GRAFITE A sua volta le caratteristiche di un materiale sono l’espressione della struttura microscopica, cioè del modo in cui gli atomi che lo costituiscono sono legati fra loro

12. STUDIO DELLA STRUTTURA CRISTALLINA La cristallografia studia la disposizione nello spazio degli atomi in un materiale.

13. STUDIO DELLA STRUTTURA CRISTALLINA • In particolare, utilizzando i raggi X per “bombardare” un cristallo si ottengono informazioni sulle distanze e sugli angoli del legame carbonio - carbonio

14. LA STRUTTURA DELLA GRAFITE Dagli studi di cristallografia a raggi X si è visto che nella grafite gli atomi di carbonio sono situati ai vertici di esagoni regolari posti su “infiniti” piani paralleli.

15. LA STRUTTURA DELLA GRAFITE Si è visto anche che: • l’angolo formato da 3 atomi di carbonio è 120°; • la distanza fra due atomi di carbonio adiacenti è di 1,41 Å; • la distanza fra un piano e l’altro è di 3.40 Å (1 Å = 1x10-10m)

16. 1,41 Å 3,40 Å Le linee verticali non sono legami, ma indicano le posizioni relative degli atomi nei diversi strati

17. 1,41 Å La grafite è un solido a reticolo covalente Ogni piano è una molecola di grafite “infinitamente estesa” 3,40 Å

18. L’ATOMO DI CARBONIO • Diamo uno sguardo alla struttura elettronica del carbonio…per scoprire il modo con cui si formano i legami C-C

19. CARBONIO N° protoni / elettroni - 6 C CARBONIO 12 - + + + - + - + + - N° protoni + neutroni -

20. I LIVELLI ELETTRONICI Il carbonio ha 6 elettroni: • 2 nel primo livello, che non partecipano alla formazione di legami • 4 nel secondo livello

21. 2S 1S GLI ORBITALI Attorno a nucleo, le regioni di spazio in cui vi è la massima probabilità di trovare gli elettroni sono dette ORBITALI e hanno varie forme… py NUCLEO px pz

22. 2S GLI ORBITALI Con una configurazione di questo tipo il carbonio dovrebbe formare solo due legami a 90° fra loro py px pz

23. IBRIDAZIONE Per spiegare allora la struttura esagonale della grafite o, ad esempio, quella tetraedrica del diamante, bisogna ipotizzare che l’orbitale 2s e gli orbitali 2p si combinino insieme per dare vita a nuove forme di orbitali in un processo chiamato IBRIDAZIONE

24. Situazione iniziale degli orbitali nel C Orbitale 1S (non impegnato in legami) Orbitali 2s 2px 2py 2pz

25. Distribuzione degli elettroni su tutti gli orbitali

26. Ibridazione di 1 orbitale se 2 orbitali p

27. Formazione di 3 orbitali sp2e 1 orbitale p

28. Disposizione degli orbitali sp2 nel piano a 120° fra loro: è la configurazione migliore per minimizzare la repulsione degli elettroni 120° C L’orbitale p è perpendicolare al piano

29. C C Formazione del doppio legame covalente fra due atomi di carbonio

30. Doppio legame ORBITALE MOLECOLARE π C C ORBITALE MOLECOLARE σ

31. C C C C Formazione del doppio legame nella grafite. C C

32. C C C C Struttura alternativa di risonanza C C

33. C C C C Struttura alternativa di risonanza C C

34. Le strutture di risonanza sono equivalenti e quindi risulta una totale delocalizzazione degli elettroni negli orbitali π sopra e sotto un piano Questo spiega la distanza C-C nella grafite che è intermedia fra un legame semplice (1,53 Å) e un legame doppio (1,34 Å)

35. PERCHÈ LA MATITA LASCIA LA TRACCIA SUL FOGLIO?

36. La mina delle matite e’ formata da grafite e argilla mescolati insieme Una diversa proporzione tra argilla e grafite condiziona la durezza della mina

37. I piani di grafite sono debolmente legati fra loro da forze di Van Der Waals. Infatti la distanza fra i piani di 3,40 Å non è compatibile con la lunghezza di un legame covalente che è di circa la metà

38. FORZE DI VAN DER WAALS Le forze di Van der Waals sono forze deboli attrattive che si determinano fra diverse molecole o parti diverse della stessa molecola e sono dovute ad una temporanea disomogeneità di carica. Si creano cosi zone parzialmente positive e zone parzialmente negative

39. Quando si scrive, i piani di grafite, essendo debolmente legati, scivolano uno rispetto all’altro. Gli stati inferiori aderiscono al foglio lasciando una traccia scura La grafite è estremamente sfaldabile

40. PERCHE’ LA MINA DI UNA MATITA SI SPEZZA FACILMENTE QUANDO VIENE PIEGATA?

41. Gli atomi di carbonio sono fortemente legati fra loro con legami covalenti. Quindi basta una piccola deformazione per diminuire la sovrapposizione degli orbitali e rompere i legami.

42. PERCHÉ LA GRAFITE È UN BUON CONDUTTORE DI ELETTRICITÀ PUR NON ESSENDO UN METALLO?

43. SOMIGLIANZA CON IL LEGAME METALLICO Gli elettroni delocalizzati sui piani di grafite provenienti dagli orbitali p sono simili al “mare di elettroni” osservato nei metalli

44. Quindi si ha elevata conduzione lungo i piani \ … e bassissima conduzione fra un piano e l’altro = Elettroni mobili πdelocalizzati nel piano

45. LA GRAFITE COME LUBRIFICANTE SOLIDO Per rompere un legame C=C sono necessarie circa 150 Kcal /mole che è un’energia abbastanza elevata. Ne risulta che la grafite ha un altissimo punto di fusione (3500 °C circa) e una bassissima volatilità. Questo ne permette l’utilizzo come lubrificante di parti meccaniche in movimento soggette a riscaldamento.

46. Le superfici metalliche a contatto, anche se apparentemente lisce, hanno in realtà delle asperità sulla superficie che provocano attrito limitando lo scorrimento

47. Aggiungendo della grafite, sia secca che in aggiunta a composti grassi, si diminuisce l’attrito fra le superfici a causa dello scorrimento dei piani di grafite.

48. O=O N N N N

49. O=O O=O O=O N N N N N N La funzione lubrificante della grafite è agevolata dalla relativamente lunga distanza (3,4 Å) fra i piani che permette l’inglobamento di piccole molecole gassose come azoto e ossigeno che aumentano lo scorrimento fra i piani.

50. GRAFITE E DIAMANTE A CONFRONTO Anche se grafite e diamante hanno la stessa formula, cioè sono costituiti entrambi da carbonio hanno caratteristiche diverse. Ciò si verifica perché hanno un diverso sistema cristallino