CARBONIO - Alexis Carrel
CARBONIO - Alexis Carrel
CARBONIO - Alexis Carrel
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<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
Lo scopo di questa ricerca è stato l'osservazione<br />
di tre sostanze naturali, grafite<br />
diamante e fullerite, definite forme allotropiche<br />
del carbonio. In natura si presentano<br />
con colore, lucentezza, densità, durezza<br />
e abiti cristallini diversi. Sapendo che le<br />
proprietà chimico-fisiche di una sostanza<br />
dipendono dalla disposizione nello spazio<br />
degli atomi, abbiamo indagato come gli atomi<br />
di carbonio si legano tra loro per formare<br />
queste diverse strutture.<br />
Definizione di allotropia: proprietà di alcuni<br />
elementi chimici di combinare i propri atomi<br />
in due o più forme diverse, che si distinguono<br />
per la struttura molecolare o cristallina.<br />
Carbonio<br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
L’essenziale è invisibile agli occhi<br />
a. Diamante b. Grafite c. Fullerene d. Nanotubi<br />
a b c d<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 1 carbonio<br />
Diamante<br />
Grafite
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
Elemento chimico di simbolo C e numero atomico 6, appartenente<br />
al gruppo IVA (o 14) della tavola periodica. È<br />
il costituente fondamentale di tutti i composti organici e di<br />
alcuni inorganici , e riveste quindi un ruolo molto importante<br />
nella vita degli organismi viventi.<br />
Il carbonio ha la proprietà unica di combinarsi con se<br />
stesso per formare catene di atomi e anelli estremamente<br />
complessi. Per questo motivo esiste un numero idealmente<br />
infinito di suoi composti, tra cui i più comuni sono<br />
quelli che contengono carbonio e idrogeno. I primi<br />
composti di carbonio furono identificati in organismi viventi<br />
all’inizio del XIX secolo.<br />
Il carbonio è poco reattivo a temperatura ambiente, ma a<br />
temperature elevate reagisce facilmente con molti metalli<br />
per formare i carburi, e con l’ossigeno per formare il monossido<br />
di carbonio (CO) e il diossido di carbonio, (CO2).<br />
Rappresenta lo 0,025% della crosta terrestre sotto forma<br />
di carbonati.<br />
Il diossido di carbonio è un importante costituente dell’atmosfera<br />
ed è la fonte di carbonio più importante per<br />
gli organismi viventi. Nel processo di fotosintesi, le piante<br />
trasformano diossido di carbonio in composti organici<br />
complessi, che vengono successivamente utilizzati<br />
da altri organismi.<br />
Carbonio<br />
Aragonite<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 2 carbonio<br />
Calcite
<strong>Alexis</strong><br />
CARREL<br />
Applicazioni scentifiche<br />
Oltre alle numerose applicazioni industriali, il carbonio ha<br />
importanza anche nel settore scientifico. Nel 1961 l’isotopo<br />
più comune, il carbonio 12, fu scelto per sostituire l’ossigeno<br />
16 come standard per i pesi atomici.<br />
Gli isotopi di peso atomico 13 e 14 sono largamente usati<br />
come traccianti isotopici nella ricerca biochimica. Il carbonio<br />
14, noto anche come radiocarbonio, è un isotopo<br />
radioattivo che viene prodotto in continuazione nell’atmosfera<br />
per cattura dei neutroni della radiazione cosmica da<br />
parte dei nuclei di azoto; è incorporato in tutti gli organismi<br />
viventi e quando questi muoiono, il contenuto di carbonio<br />
14 decresce, con tempo di dimezzamento di circa<br />
5730 anni. L’analisi del rapporto tra carbonio 12 e 14 presente<br />
in un organismo rappresenta la base del cosiddetto<br />
metodo di datazione al radiocarbonio, che permette la stima<br />
dell’età dei fossili e di altri materiali organici.<br />
L’acciaio che costituisce il più importante prodotto della siderurgia<br />
è una lega di Fe e C caratterizzata da quantità<br />
di carbonio inferiore a 1,9 %; leghe con tenore superiore<br />
di carbonio prendono il nome di ghisa.<br />
Allo stato amorfo il carbonio si trova, in vari gradi di purezza,<br />
nel carbone, nel coke, nel nero di gas e nel nerofumo.<br />
Per lungo tempo è stato usato come pigmento nero<br />
negli inchiostri e nelle vernici, ma attualmente è stato sostituito<br />
dal nerofumo, composto da particelle più sottili e ottenuto<br />
dalla combustione incompleta del gas naturale. Il nerofumo<br />
è utilizzato come stucco e come rinforzante nell’industria<br />
della gomma.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 3 carbonio
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
GRAFITE<br />
La grafite è costituita esclusivamente da carbonio nella<br />
sua forma più stabile, in cui gli atomi sono disposti<br />
ai vertici di unità esagonali legate in modo da creare<br />
piani paralleli. Si presenta come masse fogliacee o<br />
laminette sparse, di colore nero opaco, a volte a contorni<br />
esagonali e con fitte striature. È ampiamente distribuita<br />
nel mondo: i più importanti giacimenti si trovano<br />
in Inghilterra, Messico, Sri Lanka, Canada, Stati Uniti<br />
e in Italia in Val Chisone, Val Bormida (Piemonte) e in<br />
Calabria.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi<br />
Grafite<br />
Ambiente di formazione<br />
In natura si forma in rocce metamorfiche di alto grado come<br />
prodotto finale della carbonizzazione di sostanze<br />
organiche. Viene anche prodotta artificialmente: il processo<br />
di “grafitizzazione” consiste nel riscaldamento per 11-<br />
13 settimane a 950 °C di una miscela di derivati del petrolio<br />
e del carbone, e nel successivo trasferimento del prodotto<br />
di questa cottura in forni elettrici dove viene tenuto<br />
a 2800 °C per 4-5 settimane.<br />
4<br />
grafite
<strong>Alexis</strong><br />
CARREL<br />
Proprietà chimico-fisiche<br />
La grafite è nera e opaca con lucentezza submetallica, con<br />
lo striscio si ottiene polvere nero-grigia; inoltre al tatto risulta<br />
untuosa, scivolosa e molto leggera. È estremamente<br />
morbida (nella scala di Mohs la durezza varia tra 1<br />
e 2), e quindi può essere scalfita da qualunque materiale.<br />
È perfettamente sfaldabile in piani paralleli, infusibile<br />
e insolubile. È l’unico non-metallo che conduce bene l’ elettricità,<br />
ma non il calore.<br />
Applicazioni<br />
L’impiego industriale della grafite riguarda molteplici<br />
settori: è utilizzata per gli elettrodi dell’industria<br />
elettrochimica, per forni elettrici<br />
destinati ad altissime temperature, per l’indurimento<br />
dell’acciaio,come lubrificante (talvolta<br />
mescolata a grasso, oli o acqua) in vernici industriali<br />
e per la realizzazione di mine per le matite.<br />
È anche impiegata come moderatore nei reattori nucleari:<br />
quando è estremamente pura riesce infatti a rallentare,<br />
senza catturarli, i neutroni generati nel processo<br />
di fissione nelle reazioni nucleari.<br />
La mina di una matita è costituita da un impasto di<br />
grafite e argilla e lascia una traccia che può essere cancellata<br />
con facilità. La durezza della mina dipende dalla<br />
proporzione di grafite rispetto all’argilla: maggiore è<br />
la quantità di grafite, più morbida è la matita e più scura<br />
la traccia. Nel 1812 lo statunitense William Monroe<br />
inventò un procedimento grazie al quale l’impasto trafilato<br />
di grafite e argilla poteva essere racchiuso tra due pezzi<br />
di legno di cedro.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 5 grafite
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
DIAMANTE<br />
Il diamante è un minerale costituito esclusivamente da carbonio.<br />
Pur avendo la stessa composizione chimica della<br />
grafite, possiede proprietà chimico-fisiche profondamente<br />
diverse, dovute alla differente struttura cristallina in<br />
cui sono disposti gli atomi. Nel diamante ogni atomo di carbonio<br />
si lega attraverso legami covalenti ad altri quattro,<br />
posti in una struttura tetraedrica mediante legami singoli<br />
con ibridazione sp 3 . In natura si presenta in cristalli normalmente<br />
ottaedrici e rombododecaedrici, ma non sono<br />
rari anche cristalli arrotondati distorti o geminati.<br />
Splendidi cristalli si trovano nelle kimberliti del Sudafrica<br />
e della Yacuzia (URSS), nei giacimenti del Canada, nella<br />
Repubblica Domenicana, e in Congo.<br />
Diamante<br />
Ambiente di formazione<br />
L’esatto meccanismo di formazione dei diamanti è ancora<br />
in fase di studio, è certo però che sono necessarie<br />
condizioni estreme di temperatura e pressione<br />
affinchè il carbonio possa cristallizzare in questa forma.<br />
Probabilmente i diamanti si sono prodotti nell’ambito di<br />
rocce fuse, a 150-200 km di profondità e in presenza di<br />
pressioni prossime a 50.000 atm.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 6 diamante
<strong>Alexis</strong><br />
CARREL<br />
Proprietà chimico-fisiche<br />
È il minerale più duro che esista (nella scala<br />
di Mohs è pari a 10). I diamanti esibiscono<br />
un’ampia variabilità di trasparenza e colore, causata<br />
dalla presenza di tracce di diversi elementi,<br />
inoltre tutte le pietre di interesse gemmologico<br />
sono trasparenti. Due importanti caratteristiche<br />
del diamante sono la lucentezza e il fuoco,<br />
determinati dall’indice di rifrazione e dalla dispersione,<br />
che sono più alte per il diamante che per<br />
qualunque altra pietra naturale trasparente e incolore.<br />
I diamanti non tagliati non sono brillanti ma le stesse<br />
pietre, una volta tagliate, presentano una caratteristica<br />
ed elevata lucentezza, detta adamantina.<br />
L’effetto dell’alta dispersione è quello di separare le componenti<br />
colorate della luce bianca, in modo tale da fare<br />
scintillare la pietra.<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9<br />
1. Talco<br />
2. Gesso<br />
3. Calcite<br />
4. Spatofluoro<br />
5. Apatite<br />
6. Fedelspato<br />
7. Quarzo<br />
8. Topazio<br />
9. Corindone<br />
10. Diamante<br />
Applicazioni<br />
L’uso industriale del diamante è legato alle sue caratteristiche<br />
di durezza, infatti può essere usato per lucidare, tagliare<br />
o abradere qualsiasi materiale compresi altri diamanti.<br />
Le varietà incolori o ben colorate costituiscono le<br />
note pietre preziose.<br />
Diamanti celebri. Il più grande di tutti quelli conosciuti<br />
è il Cullinan, scoperto in Sudafrica nel 1905 e offerto<br />
al re Edoardo VII. Pesava 3106 carati (1 carato equivale<br />
a 0,2 g) prima di essere tagliato, con il taglio, furono<br />
prodotte 105 gemme del peso complessivo di 1063 carati.<br />
Invece il secondo più grande diamante tagliato<br />
esistente, a forma di goccia, è chiamato Star of Africa,<br />
pesa 530,2 carati ed è incastonato nello scettro<br />
reale d’Inghilterra.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 7 diamante<br />
10
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
IBRIDIZZAZIONE<br />
Il carbonio ha configurazione elettronica normale o stato<br />
fondamentale 1s2 2s2 2p2 e sembrerebbe pertanto<br />
divalente, avendo solo due elettroni spaiati negli orbitali<br />
p. In realtà è tetravalente in quasi tutti i composti<br />
tranne nel monossido di carbonio, CO.<br />
Z= 6 C: 1s2; 2s2; 2p2<br />
Nella configurazione normale gli angoli formati tra gli<br />
orbitali “p” misurano sempre 90°, in quanto gli assi x,<br />
y e z sono tra di loro ortogonali. Di conseguenza px è<br />
perpendicolare a py e, nello stesso tempo, anche a pz.<br />
La configurazione normale, tuttavia, viene meno nella<br />
maggior parte dei composti del carbonio dove gli orbitali<br />
si ibridizzano rimescolandosi tra loro. Per poter<br />
creare legami covalenti con altri atomi, il carbonio ,<br />
infatti, deve inizialmente passare allo stato eccitato “promuovendo”<br />
un elettrone dall’orbitale 2s nell'orbitale 2p<br />
vuoto (eccitazione), così da assumere una configurazione<br />
elettronica esterna di tipo: 2s 2p3.<br />
GRAFITE e FULLERENE:<br />
ibridazione sp 2<br />
Ibridizzazioni<br />
Nell'ibridazione sp 2 il carbonio ha<br />
angoli di 120° tra gli orbitali. In<br />
questo caso si formano tre orbitali<br />
sp e un orbitale p in verticale. La<br />
grafite è costituita da molti piani<br />
poco compatti formati da varie<br />
molecole di carbonio unite insieme<br />
con un legame singolo e uno<br />
doppio . Il fullerene è formato da<br />
12 pentagoni e 20 esagoni in cui<br />
ogni atomo di carbonio si lega ad<br />
altri tre tramite un doppio legame<br />
e due singoli.<br />
DIAMANTE:<br />
ibridazione sp 3<br />
In questo tipo di ibridazione un<br />
elettrone del livello 2s passa al livello<br />
2p che poi, ricombinandosi con<br />
l’orbitale s formano quattro orbitali<br />
ibridi isoenergetici sp 3 . Questi orbitali<br />
hanno forma lobata molto simile a<br />
quella degli orbitali 2p e sono posti ad<br />
un angolo di 109° 27’ l’uno dall’altro.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 8 ibridazioni
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
FULLERENE<br />
Nel 1985 fu assegnato il premio nobel per la chimica ad<br />
Harold Kroto per la scoperta dei fullereni buckyball,<br />
l’unica forma finita del carbonio; le altre due, diamante<br />
e grafite, sono infatti reticoli infiniti.<br />
Il suo nome si deve all’architetto Buckminster Fuller, che progettava<br />
abitazioni a forma di cupola geodetica, basata<br />
su pentagoni ed esagoni. Infatti la forma del fullerene, simile<br />
a quella di un pallone da calcio, è costituita da 12<br />
pentagoni e 20 esagoni, in cui ciascun pentagono è<br />
circondato da 5 esagoni.<br />
Ogni atomo di carbonio che costituisce la struttura del fullerene,<br />
si lega ad altri 3 atomi di carbonio (ibrid. Sp 2 ), da<br />
un doppio legame covalente e due legami singoli.<br />
CARATTERISTICHE GENERALI<br />
Formula bruta o molecolare C60<br />
Massa molecolare (u) 720,66<br />
Aspetto polvere grigia<br />
Numero 99685-96-8<br />
PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE<br />
Densità (g/cm3 , in c.s.) 1<br />
Fullerene<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 9 fullerene
<strong>Alexis</strong><br />
CARREL<br />
Proprietà chimico-fisiche<br />
Le proprietà chimiche e fisiche dei fullereni sono stati<br />
importanti oggetti di studio, sia nei laboratori di<br />
ricerca puri che applicati.<br />
Il fullerene presenta diversi ambiti di impiego:<br />
In medicina: legando specifici antibiotici alla loro<br />
struttura è possibile abbattere le resistenze dei batteri<br />
o perfino colpire cellule cancerogene. Alcuni<br />
scienziati dell’università di San Francisco e Santa Barbara<br />
mirano a utilizzare la molecola di fullerene per inibire<br />
l’azione dell’enzima responsabile della riproduzione<br />
del virus dell’HIV.<br />
Come lubrificante: le sue sfere possono ruotare tra due<br />
superfici riducendo l’attrito.<br />
In Medicina nucleare: Il fullerene può essere usato<br />
per immagini mediche e per la cura del cancro. Gli anticorpi,<br />
legati alla buckyball, possono trasportare gli atomi<br />
radioattivi fino alle cellule tumorali da trattare. Per<br />
le immagini mediche, al paziente verrà immessa una dosa<br />
minore di traccianti radioattivi, in quanto, se contenuti<br />
all’interno della gabbia di fullerene, si previene<br />
che possano interagire con il corpo, in particolare<br />
con il sistema immunitario.<br />
In elettronica: Inserendo 3 atomi di metallo nella<br />
struttura del fullerene, questo assume proprietà<br />
che vanno da quelle magnetiche a quelle di semiconduttore.<br />
Si possono inserire metalli con proprietà<br />
ottiche come la fluorescenza e si può usare per<br />
amplificare le applicazioni delle fibre ottiche.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 10 fullerene
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
NANOTUBI<br />
Inanotubi sono strutture di carbonio scoperte, quasi per caso,<br />
nel 1991 dal giapponese Sumio Iijima nei laboratori<br />
della Nec. Furono ottenute facendo scoccare una scintilla<br />
in vapori di carbonio, che si condensavano in minuscoli<br />
aghi. A fortissimo ingrandimento, gli aghi si rivelarono<br />
tubicini inseriti uno nell’altro chiusi alle estremità da<br />
semisfere di fullerene (per questo vengono chiamati emifullereni).<br />
Si conosce l’esistenza di 2 tipologie di nanotubi:<br />
SWNT (Single Wall Nano Tubes) e MWNT (Multi<br />
Wall Nano Tubes). Per sintetizzare un nanotubo di carbonio<br />
occorrono la contemporanea presenza di una sorgente<br />
e di un catalizzatore metallico(ferro, cobalto e nichel).<br />
Per innescare la crescita del nanotubo il catalizzatore metallico,<br />
posto su un apposito supporto, viene ricoperto da<br />
un film emisferico di carbonio. Il carbonio tende a diffondersi<br />
nel catalizzatore e una volta raggiunto il supporto,<br />
dà inizio alla crescita della struttura.<br />
Nanotubi<br />
Proprietà chimico-fisiche<br />
Le proprietà di un manufatto dipendono da numerosi fattori,<br />
tra i quali i più importanti sono la forza dei legami atomo-atomo<br />
del materiale costruttivo e l’assenza di difetti strutturali<br />
nel reticolo cristallino. Per portare a rottura un nanotubo<br />
di carbonio, privo di difetti, occorre spezzare tutti i legami<br />
covalenti carbonio-carbonio che lo compongono, che<br />
sono i legami più forti conosciuti in natura. Da questo consegue<br />
che una fibra costituita da nanotubi di carbonio è<br />
non solamente la più resitente mai fatta, ma addirittura la<br />
più resistente che sia possibile fare.<br />
I nanotubi, sono molto flessibili e possono essere ripiegati<br />
fini a circa 90° senza rompersi.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 11 nanotubi
<strong>Alexis</strong><br />
<strong>CARBONIO</strong><br />
CARREL<br />
Nanotecnologie<br />
NANOTECNOLOGIE<br />
La scoperta dei nanotubi e del fullerene hanno dato di<br />
fatto il via alle nanotecnologie.<br />
Grazie alle loro piccole dimensioni e alle loro proprietà<br />
di resistenza meccanica i nanotubi possono essere<br />
utilizzati per applicazioni di alto livello, come quelle di<br />
sonda per microscopi a effetto tunnel.<br />
Un gruppo di fisici dell’università di Berkley è riuscito ad<br />
utilizzare un MWNT come se fosse un tubo telescopico;<br />
un nanotubo di questo tipo potrebbe essere usato come<br />
“nano-molla” o “nano-ammortizzatore” in una<br />
macchina di dimensioni nanometriche.<br />
Diametro di un capello 100.000 nm<br />
Globulo rosso 3.000nm<br />
Batterio E. coli 500nm<br />
Connessioni nel Pentium 4 130nm<br />
Virus epatite C 50nm<br />
Larghezza del DNA 2nm<br />
Diametro di un nano tubo 1nm<br />
Diametro del fullerene 0,7 nm<br />
Atomo di idrogeno 0,1 nm<br />
Dalla microelettronica alla Nanoelettronica<br />
I nanotubi hanno dimostrato delle sorprendenti proprietà<br />
di conduttività che cambiano a seconda della loro<br />
geometria. In determinate condizioni, gli elettroni possono<br />
passare all’interno del nanotubo senza scaldarlo.<br />
Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti<br />
per lo sviluppo di “nanocavi” o “cavi quantici”<br />
che potrebbero sostituire il silicio nel campo dei materiale<br />
per l’elettronica o nel campo delle celle solari.<br />
Altro possibile impiego grazie a queste proprietà di conduzione<br />
è il loro uso come cannoni elettronici per la produzione<br />
di schermi al plasma ad altissima definizione.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 12 nanotec
<strong>Alexis</strong><br />
CARREL<br />
Adsorbimento di gas e capillarità<br />
Grazie alla loro forma tubolare, i nanotubi mostrano delle<br />
forti proprietà di capillarità, e il loro grande rapporto<br />
superficie/peso li rende teoricamente ideali per l’adsorbimento<br />
dei gas, in particolare dell’idrogeno in vista<br />
di un suo possibile uso nelle “celle a combustibile”.<br />
Somministrazione farmaci<br />
È stato scoperto recentemente che hanno una notevole<br />
affinità per le cellule endoteliali costituenti<br />
delle pareti interne dei vasi sanguigni, bersaglio<br />
importante per impedire la crescita delle<br />
cellule tumorali. L’uso di nano molecole, o nano<br />
particelle risulta l’applicazione più promettenti<br />
per la somministrazione mirata di sostanze terapeutiche.<br />
La veicolazione ha due scopi principali diminuire<br />
la tossicità e migliorare la penetrazione nella cellula.<br />
Le nano particelle permettono di trasportare i farmaci<br />
al sito della malattia.<br />
Altri possibili utilizzi<br />
Raddoppiare l’accuratezza delle radiografie.<br />
Biosensore in grado di rilevare immediatamente livelli<br />
anche molto bassi di Salmonella Typhi, in quanto attivano<br />
un sensore elettrico quando entrano in contatto<br />
con l’agente patogeno.<br />
<strong>CARBONIO</strong> L’essenziale è invisibile agli occhi 13 nanotec