Il carbonio è un elemento non metallico con simbolo chimico C. È il quarto elemento più abbondante nell'universo e il quindicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre. È anche il secondo elemento più abbondante nell'uomo dopo l'ossigeno. La sua composizione chimica porta a diverse proprietà uniche del carbonio.
Il carbonio appartiene al gruppo 14 della tavola periodica. Il suo numero atomico è 6 e ha un peso atomico di 12.011. Gli stati di ossidazione del carbonio possono variare da -4 a +4, dove +4 esiste in composti come metano e disolfuro di carbonio e +2 per il monossido di carbonio.
Le proprietà fisiche dei diversi allotropi di carbonio li rendono utili nelle batterie, nell'elettronica e nei nanomateriali. Il carbonio è anche il "re degli elementi", formando quasi 10 milioni di composti fino ad oggi compresi i composti organici, inorganici e organometallici.
Gli isotopi del carbonio sono ampiamente utilizzati per la datazione al radiocarbonio (carbonio-14), la struttura molecolare e la ricerca medica (carbonio-13). Inoltre, le fibre di carbonio mostrano eccellenti proprietà meccaniche e sono popolari nell'ingegneria aerospaziale e civile.
Allotropi di carbonio
Il carbonio è diverso forme allotropiche, con diverse configurazioni molecolari e strutture atomiche. Le proprietà fisiche del carbonio variano notevolmente con ciascun allotropo. Alcuni dei più noti allotropi del carbonio includono grafite, diamante e fullereni.
La grafite è uno dei materiali più morbidi conosciuti e viene utilizzata nelle matite e come lubrificante solido. È anche un buon conduttore di elettricità, il che lo rende utile nelle batterie e nei pannelli solari.
Il grafene è semplicemente uno strato atomico di grafite disposto in un reticolo a nido d'ape. In uno strato di grafene, ogni atomo di carbonio è legato covalentemente ad altri tre atomi, lasciando il quarto elettrone libero di migrare nel piano, da cui la sua conduttività elettrica.
Il diamante, al contrario, è la sostanza naturale più dura ed è una delle proprietà uniche del carbonio. Ha quasi il doppio della densità della grafite e ogni atomo di carbonio è legato tetraedricamente ad altri quattro senza elettroni liberi. Quindi il diamante è un cattivo conduttore di elettricità. Anche il diamante ha un aspetto chiaro, a differenza della grafite, che è opaca.
Gli scienziati hanno anche sintetizzato altri allotropi del carbonio, come fullereni, nanoschiume di carbonio e altri. Possiedono proprietà speciali e costituiscono una fiorente area di ricerca in nanomateriali. I fullereni sono un gruppo di molecole cave di carbonio in una conformazione a gabbia chiusa (buckyball) o cilindrica (nanotubi di carbonio).
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il C60 buckyball è stato scoperto da Sir Harold Kroto, Richard Smalley e Robert Curl Jr., utilizzando un laser per vaporizzare barre di grafite in un'atmosfera di elio. Gli atomi di carbonio sono uniti tra loro da legami singoli e doppi per formare 12 facce pentagonali e 20 esagonali a forma di pallone da calcio. I loro sforzi pionieristici gli valsero il Premio Nobel nel 1996.
I nanotubi di carbonio, che sono versioni allungate di buckyball, sono stati identificati da Iijima Sumio. Sono ottimi conduttori di calore ed elettricità e sono utili per l'elettronica.
I nanotubi di carbonio dimostrano anche un'impressionante resistenza alla trazione e hanno interessanti applicazioni nei materiali strutturali e nella medicina. Tuttavia, la sintesi controllata di tali nanomateriali ha rappresentato una grande sfida per gli scienziati.
Reattività chimica del carbonio
Il carbonio costituisce la base della vita sulla Terra, con milioni di composti contenenti carbonio che costituiscono il 18% di tutti gli esseri viventi. Può formare legami stabili e covalenti con altri atomi e apparire come lunghe catene o anelli di forti legami carbonio-carbonio interconnessi. Questi contribuiscono alla diversità e alla complessità dei composti del carbonio esistenti sulla Terra.
Questi composti di carbonio includono molecole organiche come proteine, carboidrati e DNA che si trovano nelle cellule degli organismi viventi, nonché composti inorganici come gli ossidi di carbonio. Lo studio delle molecole organiche costituisce un campo specializzato chiamato chimica organica. Il carbonio può anche formare legami covalenti con il metallo come composti organometallici. La porfirina di ferro, che è il sito di legame dell'ossigeno dell'emoglobina, ne è un esempio.
Nonostante la sua abbondanza in natura, il carbonio è relativamente poco reattivo in condizioni normali. A temperatura standard, non è reattivo verso acidi (acido solforico o acido cloridrico) o alcali. È anche stabile all'ossidazione a questa temperatura. A temperature più elevate, tuttavia, il carbonio può reagire con l'ossigeno per formare ossidi di carbonio (CO2 e CO), con gas di zolfo per formare disolfuro di carbonio e con silicio per formare carburi.
Isotopi di carbonio
Ci sono 15 isotopi noti del carbonio, di cui il carbonio-12 (98,93 percento del carbonio naturale) e il carbonio-13 (1,07 percento) sono i due isotopi stabili. Il carbonio-14 è l'isotopo più longevo, con un'emivita di 5.730 anni. L'isotopo di carbonio a vita più breve è il carbonio-8 e ha un'emivita di 1,98739 x 10−21 secondi.
L'isotopo carbonio-14 è rappresentato da 146C, dove il preapice 14 è la massa atomica e il prepedice 6 è il numero atomico. Il carbonio-14 ha un'abbondanza naturale molto bassa (0,000000001 percento), ma la sua lunga emivita lo rende utile per datazione radiometrica.
Il carbonio-14 si forma quando l'azoto-14 reagisce con i neutroni della radiazione cosmica, rilasciando un protone in questo processo. Il carbonio-14 reagisce quindi con l'ossigeno per generare 14CO2, che è distribuito uniformemente nell'atmosfera con 12CO2.
147N + 10n > 146C + 11p
Il ciclo del carbonio inizia quando gli organismi viventi convertono l'anidride carbonica (14CO2 e 12CO2 dall'atmosfera) in composti organici per fotosintesi e rilasciarlo nuovamente nell'atmosfera per respirazione. In questo equilibrio, esiste un rapporto fisso di 14CO2 e 12CO2 negli organismi. Tuttavia, quando muoiono, l'equilibrio si ferma e il carbonio-14 subisce il decadimento beta all'azoto-14 secondo la sua emivita di 5.730 anni.
146C > 147N + 0-1e
La misurazione della proporzione relativa di carbonio-14 in un esemplare morto consente quindi il calcolo del tempo trascorso dopo la sua morte. Questo metodo di datazione al radiocarbonio è stato ampiamente utilizzato per datare fossili e reperti archeologici da 500 a 50.000 anni.
Il carbonio-13 è un altro isotopo ampiamente utilizzato in molte applicazioni. Ad esempio, viene utilizzato nella risonanza magnetica nucleare (NMR) per determinare le strutture molecolari dei composti organici. Viene anche utilizzato come strumento di etichettatura in combinazione con uno spettrometro di massa per la ricerca medica.
Proprietà meccaniche delle fibre di carbonio
Il carbonio mostra anche proprietà meccaniche utili, oltre alle sue proprietà fisiche, chimiche e nucleari.
Può formare leghe con acciaio in acciaio al carbonio, il cui contenuto di carbonio varia dallo 0,05 al 2% in peso. L'acciaio a medio tenore di carbonio (0,3-0,6 percento di carbonio) ha una resistenza e una duttilità bilanciate, nonché un'eccellente resistenza alla trazione. Attraverso un processo di trattamento termico, l'acciaio ad altissimo tenore di carbonio (1,25-2 percento di carbonio) può essere temprato a grande durezza e utilizzato per la produzione di coltelli.
Le fibre di carbonio, che sono fibre spesse da 5 a 10 μm composte principalmente da atomi di carbonio, dimostrano un'elevata rigidità, resistenza alla trazione, resistenza chimica, tolleranza alla temperatura e peso ridotto e termica espansione. Il carico di snervamento dell'acciaio dipende dal suo grado e l'acciaio dolce ha un carico di snervamento di 247 MPa. Le fibre di carbonio hanno resistenze alla trazione che vanno da 1.600 a 6.370 MPa e sono quindi popolari nel campo dell'aerospazio, dell'ingegneria civile e gli sport.
Quando viene esercitata una sollecitazione su un materiale, dapprima si deforma elasticamente. In questa fase, può tornare alla sua forma originale quando lo stress viene rimosso. Forza di snervamento è definita come la sollecitazione che un materiale può sopportare senza deformazioni permanenti.
Quando raggiunge un punto (punto di snervamento superiore) in cui non può più tornare alle sue dimensioni originali, subisce una deformazione plastica, che è permanente e irreversibile. La resistenza alla trazione è la forza massima che un materiale può sopportare senza cedere o rompersi.