Il carbonio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo C e come numero atomico 6.^[8] È un elemento non metallico, tetravalente (e raramente bivalente^[9]), insolubile nei solventi,^[10] inodore e insapore.^[10]

Le sue differenti forme (o più precisamente allotropi) includono uno dei più morbidi (grafite) e dei più duri (diamante) materiali conosciuti. Altre forme allotropiche del carbonio sono il carbonio amorfo e i fullereni.

Inoltre, ha una grande affinità per i legami chimici con atomi di altri elementi a basso peso atomico (tra cui il carbonio stesso) e le sue piccole dimensioni lo rendono in grado di formare legami multipli (proprietà che viene definita "desmalusogenia"). Queste proprietà permettono l'esistenza di 10 milioni di composti del carbonio.

I composti di carbonio formano le basi di tutta la vita sulla Terra e il ciclo del carbonio-azoto fornisce parte dell'energia prodotta dalle stelle.

Il carbonio si trova in tutte le forme di vita organica^[10] ed è la base della chimica organica.^[9] Tale non metallo ha l'interessante caratteristica di essere in grado di legarsi con sé stesso e con una vasta gamma di elementi (producendo più di 10 milioni di composti). Unito all'ossigeno forma il biossido di carbonio, che è assolutamente vitale per la crescita delle piante. Unito all'idrogeno forma vari composti chiamati "idrocarburi", che sono essenziali per l'industria in forma di combustibili fossili. Combinato a ossigeno e idrogeno forma vari gruppi di composti, tra i quali gli acidi grassi, essenziali per la vita, e gli esteri, che danno il sapore a molti frutti.

Sebbene l'isotopo più comune sia il carbonio-12 (il cui nucleo è formato da 6 protoni e 6 neutroni), l'isotopo carbonio-14 è anch'esso di fondamentale importanza per le sue applicazioni pratiche, essendo comunemente usato per la datazione radioattiva di antichi reperti.^[11]

Cenni storici

Il carbonio (dal latino carbo che significa "carbone"^[2]) era già conosciuto dalle popolazioni antiche che lo producevano bruciando materiale organico con poco ossigeno. In particolare veniva utilizzato nella produzione di inchiostri.^[12]

Nel XVIII secolo Lavoisier riconosce che il carbonio è una sostanza semplice (cioè costituita da atomi dello stesso elemento chimico).^[12] Successivamente venne determinato il suo peso atomico da Berzelius.^[12]

Sebbene fosse conosciuto dall'antichità, il diamante fu identificato come una forma allotropica del carbonio solo nel 1796, grazie alle ricerche del chimico inglese Smithson Tennant, che provò che la combustione del diamante produceva semplicemente anidride carbonica (CO₂).^[2]

La tetravalenza del carbonio fu appurata nel 1858 da Friedrich August Kekulé von Stradonitz.^[13]

Il fullerene (allotropo del carbonio) venne scoperto come sottoprodotto di esperimenti con i raggi molecolari nel 1985. Negli anni a seguire varie altre forme di carbonio, sempre facenti parte della categoria dei fullereni, sono state scoperte.

Isotopi

Il carbonio ha tre isotopi naturali e disponibili in natura. I due più abbondanti sono stabili: il ¹²C (98,93%) e il ¹³C (1,07%). Il terzo ¹⁴C, conosciuto anche con il nome di radiocarbonio, è un radioisotopo con tempo di decadimento di 5570 anni^[7] che viene utilizzato per la datazione del legno e di altri materiali di origine biologica nei siti archeologici.

Nel 1961 l'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) ha adottato l'isotopo carbonio-12 come base per la misura del peso atomico.

Isotopi vicini

Le caselle colorate corrispondono ad isotopi stabili.

Allotropi

Il carbonio ha molte forme allotropiche standard più una forma allotropica esotica:

• diamante (ibridizzazione sp³, durissimo, 10 nella scala di Mohs con un modulo di 442 GPa);
• grafite (ibridizzazione sp², una delle sostanze più morbide, 1-2 nella scala di Mohs);
• fullerite (fullereni e nanotubi di carbonio ibridizzazione sp², molecole di scala nanometrica, cave con superficie grafitica);
• lonsdaleite o diamante esagonale, ibridizzazione sp³, di durezza 7-8 nella scala di Mohs;
• nanoschiuma di carbonio, un allotropo a bassissima densità, ferromagnetico;
• nanorod, aggregati di carbonio o ACNR o ADNR, la più dura e meno comprimibile sostanza nota, (dal 2005) 491 GPa di modulo;
• carbonio amorfo (non esattamente un allotropo);
• catena lineare o "carbina" o "carbonio sp" (forma esotica metastabile ottenuta per ora solo in laboratorio con sofisticate tecniche fisiche di fasci molecolari supersonici in ultra-alto vuoto).

Il carbonio può inoltre presentare tipi di ibridizzazione differente all'interno della stessa forma allotropica; esempi di allotropi di questo tipo sono i film nanostrutturati cluster assembled e le schwarziti.

Carbonio amorfo

Nella sua forma amorfa, il carbonio presenta un certo ordine della sua struttura atomica a corto-raggio, ma minore di quello presente nella grafite e nel diamante.^[14] Può essere sotto forma di polvere, carbone o fuliggine.

Grafite

Il termine "grafite" è stato introdotto nel 1789 da Abraham Gottlob Werner e deriva dal greco γράφειν (graphein, "disegnare/scrittura", per il suo utilizzo nelle matite). Si tratta della forma allotropica più comune del carbonio.

Nella grafite, ogni atomo è legato ad altri tre in un piano composto di anelli esagonali fusi assieme, come quelli degli idrocarburi aromatici. Le due forme conosciute di grafite, alfa (esagonale) e beta (romboidale), hanno identiche proprietà fisiche, ad eccezione della struttura cristallina. La grafite che si trova in natura contiene fino al 30% della forma beta, mentre la grafite prodotta sinteticamente contiene solo la forma alfa. La forma alfa può essere convertita in forma beta attraverso un trattamento meccanico e la forma beta si ritrasforma in forma alfa quando è riscaldata sopra i 1000 °C.

La grafite conduce elettricità, a causa della delocalizzazione degli elettroni π obbligati a muoversi sopra e sotto i piani dell'atomo di carbonio. Questi elettroni sono liberi di muoversi, quindi sono in grado di condurre elettricità. Tuttavia, l'elettricità è condotta unicamente lungo il piano degli strati. Nel diamante, tutti e quattro gli elettroni esterni di ciascun atomo di carbonio sono 'localizzati' tra gli atomi dei legami covalenti. Il movimento degli elettroni è limitato e il diamante non conduce corrente elettrica. Nella grafite, ogni atomo di carbonio utilizza solo 3 dei suoi 4 elettroni del livello energetico esterno nel legarsi covalentemente ad altri tre atomi di carbonio. Ciascun atomo di carbonio contribuisce un elettrone ad un sistema delocalizzato di elettroni che è quindi una parte del legame chimico. Gli elettroni delocalizzati sono liberi di muoversi in tutto il piano. Per questo motivo, la grafite conduce elettricità lungo i piani di atomi di carbonio, ma non conduce in una direzione ad angolo retto rispetto al piano.

A differenza del diamante, la grafite è un conduttore elettrico e a tal proposito può essere utilizzata, ad esempio, come elettrodo della lampada ad arco elettrico. In condizioni standard è la forma più stabile del carbonio e pertanto è utilizzato in termochimica come stato standard per la definizione del calore di formazione di composti di carbonio.

Grafite in polvere viene utilizzata come lubrificante a secco. Anche se si potrebbe pensare che questa proprietà industrialmente importante sia interamente dovuta alla sfaldatura degli strati della struttura, in realtà in un ambiente sotto vuoto (come nelle tecnologie per l'uso nello spazio), la grafite è risultata essere un pessimo lubrificante. Questo fatto ha portato alla scoperta che la grafite ha proprietà lubrificanti grazie all'assorbimento di aria e acqua tra uno strato e l'altro e dunque, nel vuoto, non presentava questa proprietà in mancanza di materiale da assorbire.

Quando un grande numero di difetti cristallografici legano insieme più piani della struttura, la grafite perde le sue proprietà di lubrificazione e diventa ciò che è noto come carbonio pirolitico, un materiale utile in impianti spesso a contatto con il sangue, come le valvole del cuore.

Come già detto, la grafite è l'allotropo più stabile di carbonio. Contrariamente alla credenza popolare, l'elevata purezza non permette alla grafite di bruciare, neppure a temperature elevate. Per questo motivo è ottima per i reattori nucleari e per i crogioli di fusione dei metalli. A temperature elevate (circa 2000 °C e a pressione di 5 GPa), la grafite si trasforma in diamante. A pressioni molto alte il carbonio forma un allotropo chiamato diamante, nel quale ogni atomo è legato ad altri quattro. I diamanti hanno la stessa struttura cubica del silicio e del germanio e, grazie alla forza del legame chimico carbonio-carbonio, è assieme al nitruro di boro la sostanza più dura in termini di resistenza allo sfregamento. La transizione alla grafite, a temperatura ambiente, è così lenta da risultare inosservabile. Sotto determinate circostanze, il carbonio cristallizza come lonsdaleite, una forma simile al diamante ma a struttura esagonale.^[7]

Grafiti naturali e cristalline non sono spesso utilizzati in forma pura come materiali strutturali per le loro shear-aerei, fragilità e incoerenti proprietà meccaniche.

Nelle forme sintetiche di consistenza vetrosa, la grafite pirolitica e le fibre di grafite sono estremamente forti, resistente al calore (fino a 3000 °C).

La sfaldabilità della grafite è dovuta alle deboli forze di van der Waals che tengono uniti i piani.

Densità: il peso specifico di grafite è di 2,3, il che la rende più leggero del diamante.

Attività chimica: è leggermente più reattiva di diamante. Questo perché i reagenti sono in grado di penetrare tra gli strati esagonali di atomi di carbonio. Non è influenzata da solventi ordinari, acidi diluiti, o alcali fusi. Tuttavia, l'acido cromico ossida la grafite a biossido di carbonio (CO₂).

Diamante

Il diamante è una delle tante forme allotropiche in cui può presentarsi il carbonio; in particolare, il diamante è costituito da un reticolo cristallino di atomi di carbonio disposti secondo una struttura tetraedrica.

I diamanti possono essere formati dalla grafite sottoponendola a condizioni di elevata pressione e temperatura.^[7] La struttura del diamante è metastabile in condizioni standard^[7] e si trasforma in grafite per riscaldamento a 2000 K.^[7]

Fullereni

I fullereni hanno una struttura simile alla grafite, ma invece della configurazione esagonale, contengono anche formazioni pentagonali o eptagonali di atomi di carbonio, che piegano i fogli in sfere, ellissi o cilindri. Le proprietà dei fullereni non sono ancora state analizzate completamente. Il loro nome è stato dedicato a Buckminster Fuller, l'ideatore della cupola geodetica, la cui geometria ricorda quella dei fullereni.

Composti del carbonio

Il carbonio si combina facilmente con tutte le tipologie di elementi (metalli, non metalli e idrogeno).^[9]
Il legame del carbonio con altri elementi è di tipo covalente. Rispetto agli altri elementi chimici, il carbonio ha invece una bassissima tendenza a formare legame ionici,^[9] per cui non è mai stato rilevato lo ione C⁴⁺,^[9] mentre lo ione C^4- è probabilmente presente in alcuni carburi.^[9]

L'atomo di carbonio nei composti con altri elementi o con sé stesso può presentarsi in una delle tre note forme di ibridizzazione (secondo la teoria degli orbitali atomici LCAO): sp³, sp² ed sp rispettivamente. Con esse il carbonio è in grado di coordinare rispettivamente altri 4, 3 e 2 atomi con angoli di legame approssimativamente di 109,5°, 120° e 180°.

A seconda poi della simmetria delle autofunzioni molecolari complessive delle coppie di atomi che partecipano al legame, si avranno legami singoli, doppi o tripli.

Composti inorganici

Il principale ossido del carbonio è il biossido di carbonio, CO₂. Esso è un componente minore dell'atmosfera terrestre, prodotto e utilizzato dalle creature viventi. Nell'acqua forma tracce di acido carbonico, H₂CO₃, ma come molti composti con più atomi di ossigeno legati a un atomo di carbonio, è instabile. Alcuni importanti minerali sono carbonati, particolarmente la calcite e il bisolfuro di carbonio, CS₂.

Altri ossidi sono il monossido di carbonio, CO, e il meno comune subossido di carbonio, C₃O₂. Il monossido di carbonio si forma da una combustione incompleta ed è un gas inodore e incolore. Ogni molecola contiene un legame doppio e risulta abbastanza polarizzata, tende quindi a legarsi permanentemente alle molecole di emoglobina, rendendo questo gas velenoso. Il cianuro, CN⁻, ha una struttura e un comportamento simile a un alogenuro.

Con i metalli duri il carbonio forma carburi, C⁻, o acetilati, C2−2; questi sono associati al metano e all'acetilene o etino, entrambi acidi estremamente deboli. Con un'elettronegatività di 2,55, il carbonio tende a formare legami covalenti. Alcuni carburi sono solidi cristallini covalenti come SiC, conosciuto con il nome di carborundo. Il carburo di silicio ha una struttura simile a quella del diamante, in cui gli atomi di C e Si sono tetraedricamente circondati da quattro atomi di altro tipo. Sotto il nome di carborundo, esso è usato come attrezzo di taglio o come abrasivo.

Composti organici

Per definizione, sono detti "organici" i composti a base di carbonio in cui questo ha numero di ossidazione inferiore a +4.

Una particolarità del carbonio è la capacità di formare catene di atomi di varia lunghezza, anche cicliche. Tali catene sono alla base degli idrocarburi e di tutti composti organici. Nel caso degli idrocarburi, al crescere del numero di atomi che compongono le catene si passa dagli oli volatili, agli oli pesanti, alle cere paraffiniche.

Disponibilità

Il carbonio è un componente vitale di tutti i sistemi viventi conosciuti e senza di esso la vita come la conosciamo non esisterebbe. Esistono quasi dieci milioni di composti di carbonio conosciuti e molte migliaia di questi sono essenziali per i processi vitali e importanti per le reazioni a base organica.

Il carbonio è il tredicesimo elemento più abbondante sulla Terra.^[7] Si trova in abbondanza anche nel Sole, nelle stelle, nelle comete e nell'atmosfera della maggior parte dei pianeti. Alcuni meteoriti contengono diamanti microscopici^[2] (lonsdaleite^[7]) che si formarono quando il sistema solare era ancora un disco protoplanetario. Il carbonio non è stato creato nel Big Bang a causa del fatto che occorre una tripla collisione di particelle alfa (nuclei di elio) per essere prodotto. L'universo inizialmente si espanse e si raffreddò troppo velocemente perché ciò accadesse. È comunque prodotto all'interno delle stelle che trasformano i nuclei di elio in carbonio tramite il processo triplo alfa.

In combinazione con altri elementi, il carbonio si trova nell'atmosfera terrestre e disciolto in tutti i bacini d'acqua. Assieme a piccole quantità di calcio, magnesio e ferro, è uno dei principali componenti di carbonato, rocce, calcare, marmo, ecc. Combinato con l'idrogeno forma petrolio, carbone, gas naturale e altri composti collettivamente chiamati "idrocarburi".

La grafite si trova in grandi quantità negli Stati Uniti, Russia, Messico, Groenlandia e India.

I diamanti naturali si trovano nei minerali di kimberlite che stanno all'interno di antichi camini vulcanici. La maggior parte dei giacimenti di diamanti si trovano in Africa, soprattutto in Sudafrica, Namibia, Botswana, Repubblica del Congo e Sierra Leone. Altri giacimenti si trovano in Canada, Artico russo e Australia (occidentale e settentrionale).

Ciclo del carbonio

Il ciclo del carbonio è il ciclo biogeochimico attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera (all'interno della quale si considerano i sedimenti e i combustibili fossili), l'idrosfera (mari e oceani), la biosfera (comprese le acque dolci) e l'atmosfera della Terra. Tutte queste porzioni della Terra sono considerabili a tutti gli effetti riserve di carbonio (carbon sinks). Il ciclo è infatti solitamente inteso come l'interscambio dinamico tra questi quattro distretti. La crosta terrestre contiene la maggior riserva di carbonio presente sulla Terra.

Le piante presenti nella biosfera utilizzano il carbonio atmosferico (sotto forma di anidride carbonica, CO₂) attraverso la fotosintesi clorofilliana, che utilizza l'energia solare, rilasciando ossigeno (O₂).^[9] Le sostanze prodotte dalle piante vengono successivamente utilizzate da altri organismi viventi (tra cui gli animali e l'uomo), dai quali il carbonio viene restituito all'atmosfera sotto forma di CO₂^[9] oppure viene accumulato nei depositi geologici sotto forma di combustibili fossili (carbone e petrolio).^[9]

Applicazioni

Il principale uso commerciale del carbonio è in forma di idrocarburi, principalmente combustibili fossili (gas metano e petrolio).^[2] Il petrolio è utilizzato nelle raffinerie per produrre combustibili attraverso un processo di distillazione frazionata, dalla quale si ottengono, tra gli altri, benzina, gasolio e cherosene. Il petrolio è inoltre impiegato come materia prima nell'industria petrolchimica per la produzione di molte sostanze sintetiche, tra cui le materie plastiche, fibre, solventi e vernici.^[2]

Altri usi del carbonio sono:

• L'isotopo ¹⁴C scoperto il 27 febbraio 1940 è usato nella datazione al radiocarbonio e come tracciante radioisotopico.
• La grafite è usata nelle matite da disegno, nelle spazzole di motori elettrici e come rivestimento refrattario nei forni.^[2]
• I diamanti sono usati per scopi ornamentali e anche come punte perforanti e in altre applicazioni che sfruttano la loro durezza.^[2]
• Il carbonio viene aggiunto in basse percentuali al ferro per produrre l'acciaio. Sempre legato al ferro, ma in percentuali superiori al 2%, si ottiene la ghisa che ha ottima colabilità e resistenza all'usura.
• In forma di carbone è usato per il riscaldamento e come materiale adsorbente (carbone attivo)^[15] nell'industria chimica e come rimedio omeopatico.
• È utilizzato anche come materiale primario, o come fibra di rinforzo, unito al kevlar, nella produzione di articoli sportivi^[2] (tra cui mazze da hockey su prato, racchette da tennis, sci, canne da pesca), negli aeroplani^[2] e nei rivestimenti (interni o esterni) delle auto sportive o di quelle da corsa, sia per la sua resistenza che per la sua leggerezza.
• Il carbonio è utilizzato nelle barre di controllo delle centrali nucleari sotto forma di carburo di boro, e come moderatore per rallentare i neutroni veloci fino ad energie dell'ordine del centesimo di elettronvolt.

Le proprietà chimiche e strutturali dei fullereni, in forma di nanotubi di carbonio, hanno un promettente uso potenziale nel campo nascente delle nanotecnologie.

• Mina in grafite

• Lama al diamante

• Carbonio attivo usato come carminativo e lassativo

• Materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio

Precauzioni

Il carbonio è poco tossico, se in granulometria circa millimetrica, ingeribile sotto forma di grafite o carbone (carbone attivo farmacologico). È resistente alla dissoluzione chimica, anche nel tratto digestivo acido, ed utilizzato per adsorbire eventuali particolari composti tossici.

L'inalazione di polvere di carbone o di fuliggine (nerofumo) in grandi quantità può essere pericolosa, irritante per i tessuti polmonari e causare l'antracosi. Analogamente la polvere di diamante usata come abrasivo. Microparticelle di carbonio sono prodotte in gas di scarico dei motori a scoppio e possono accumularsi nei polmoni. Gli effetti nocivi possono derivare dalla contaminazione delle particelle di carbonio, fortemente adsorbenti, con i prodotti chimici organici o metalli pesanti, piuttosto che dal carbonio stesso.

Si stanno studiando potenziali effetti dannosi, analoghi a quelli di altre fibre minerali (pneumoconiosi), derivanti dalle fibre di carbonio, eventualmente respirate o ingerite. Analoghi studi vengono fatti a proposito delle strutture nanometriche come fullereni e nanotubi di carbonio.

Il carbonio può anche bruciare vigorosamente in presenza di aria a temperature elevate, come nell'incendio della centrale elettronucleare di Windscale, a Sellafield (Windscale fire), che è stato causato da improvvisa liberazione di energia (effetto Wigner, dallo scopritore Eugene Wigner consistente in uno dislocamento atomico nel reticolo cristallino ad opera di neutroni veloci ed a un successivo ritorno con liberazione dell'energia relativa accumulata) nella grafite usata come moderatore e quindi sottoposta a bombardamento neutronico.
Grandi accumuli di carbone, che sono rimasti inerti per centinaia di milioni di anni in assenza di ossigeno, possono spontaneamente bruciare quando esposti all'aria.

Composti

I composti del carbonio coprono una vasta gamma di azioni tossiche ed, essendo la base dei composti biologici, benefiche. Il monossido di carbonio, CO, presente nei gas di scarico dei motori a combustione, e il cianuro, CN⁻, che a volte inquina le miniere, sono estremamente tossici per i vertebrati. Molti altri composti non sono assolutamente tossici ma sono anzi essenziali per la vita. Gas organici come etilene (CH₂=CH₂), acetilene (HC≡CH), metano (CH₄) e molte altre molecole sono infiammabili ed esplosivi se miscelati con l'aria in certe proporzioni.

Citazioni letterarie

• Al carbonio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.

Note

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998. (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
• Francesco Neve, Carbonio. Storia di un materiale del futuro, Roma, Aracne editrice, 2011, ISBN 978-88-548-3855-0.
• (EN) Otto Vohler, Gabriele Nutsch, Gerd Collin, Ferdinand von Sturm, Carbon, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, DOI:10.1002/14356007.a05_095.

Voci correlate

• Carbonati
• Carbone attivo
• Carbonio vitreo
• Carborani
• Carburi
• Carbonia (composto)
• Cattura e sequestro del carbonio
• Chaoite
• Ciclo del carbonio
• Detonazione del carbonio
• Fase di fissazione del carbonio
• Fibra di carbonio
• Glucidi
• Metodo del carbonio-14
• Nanoschiuma di carbonio
• Nanotubo di carbonio
• Pianeta di carbonio
• Processo di fusione del carbonio
• Stella al carbonio
• Total organic carbon