Le forme del carbonio

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APPROFONDIMENTO
Le forme del carbonio
Generalmente le caratteristiche delle sostanze dipendono dalla loro composizione
chimica. Considerando le loro proprietà fisiche, per esempio, zinco e oro sono simili. Sono infatti entrambi metalli duttili, malleabili e conduttori. Per quanto riguarda le proprietà chimiche questi elementi si comportano in modo diverso. Per
esempio lo zinco reagisce con l’acido cloridrico, mentre l’oro non viene attaccato.
Non sempre però è la composizione chimica di una sostanza a determinarne le
proprietà, vi sono infatti molte sostanze con medesima composizione, ma proprietà
diverse. Non è quindi la sola composizione chimica a determinare le caratteristiche
delle sostanze, ma vi è anche un fattore di natura strutturale a determinarne le proprietà. Il modo in cui gli atomi sono legati insieme e la loro disposizione nella spazio
è fondamentale per le caratteristiche della materia.
Un esempio emblematico è il caso del carbonio. Questo elemento è presente in varie forme in natura, tra cui le principali sono: la grafite e il diamante. Queste forme
sono chiamate forme allotropiche e si differenziano esclusivamente per la disposizione spaziale degli atomi nel reticolo cristallino. La capacità di una sostanza di cristallizzare in forme cristalline diverse a seconda delle condizioni (pressione e temperatura) è detta polimorfismo. L’allotropia non è altro che il polimorfismo manifestato
da elementi.
Il diamante si forma quando la pressione è maggiore di 50 Kbar e la temperatura è compresa tra 900 e 1200°C. La grafite si forma invece a valori di pressione e di
temperatura inferiori. All’interno della Terra la pressione di 50 Kbar si raggiunge
nella parte superiore del mantello, a profondità superiori di 150 km. Generalmente
a queste distanze dalla superficie della Terra le temperature superano i 1200 °C e le
condizioni portano alla formazione della grafite. Il diamante si forma quindi solo
in particolari zone dell’interno della Terra chiamate cratoni. I cratoni sono la parte
più rigida, antica e stabile della crosta continentale, e hanno uno spessore anche di
200 km. In queste particolari zone della crosta della Terra la temperatura è compresa
tra 900 e 1200 °C, e le condizioni permettono la cristallizzazione del carbonio nella
forma di diamante. La trasformazione del diamante in grafite è talmente lenta che
il diamante, una volta formatosi, può esistere anche nelle condizioni di pressione e
temperatura in cui è la grafite la forma più stabile.
A seconda della forma in cui si trova il carbonio le sue caratteristiche risultano
notevolmente differenti. Il diamante è infatti trasparente, limpido, duro ed è un
isolante elettrico. La grafite è invece nera, opaca, tenera, è meno dura del talco, e
conduce la corrente. La grande differenza tra diamante e grafite non è dovuta alla
diversa composizione chimica, ma alla diversa struttura cristallina (figura 1).
metti a fuoco
Il termine allotropia deriva dalle parole greche allos, che
significa altro e tropos, che significa modo.
 figura 1 La diversa struttura cristallina del diamante e della
grafite conferisce a queste due forme del carbonio proprietà diverse. (A) nel diamante ogni atomo di carbonio si trova al centro
di un tetraedro, i cui vertici sono occupati da 4 atomi di carbonio. (B) nella grafite ogni atomo di carbonio si trova al centro di
un triangolo, a formare una struttura piana a «nido d’ape».
A
Diamante
B
Grafite
La chimica di Rippa - primo biennio - © Italo Bovolenta editore
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APPROFONDIMENTO
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Il diamante ha una struttura cristallina formata da atomi di carbonio ognuno dei
quali è legato con altri quattro atomi disposti ai vertici di un tetraedro (figura 1 A).
I legami sono tutti uguali e molto forti e gli atomi di carbonio sono molto vicini tra
loro. La struttura del diamante spiega tutte le proprietà di questa forma del carbonio.
Per esempio, l’elevata forza dei legami è responsabile della grande durezza del diamante; occorre infatti applicare forze molto intense per romperli.
Nella grafite invece ogni atomo di carbonio è legato ad alti tre atomi. Gli atomi
di carbonio risultano disposti ai vertici di esagoni formando angoli di 120°. Si forma
quindi una struttura a strati con deboli legami tra un piano e l’altro (figura 1 B). I tre
legami sul piano sono forti e quindi gli atomi sono vicini, mentre i legami tra i vari
strati sono deboli, con un conseguente aumento della distanza tra i piani. Anche in
questo caso le proprietà della grafite trovano una giustificazione nella struttura che
assumono gli atomi di carbonio. Per esempio, la grande fragilità della grafite è spiegata considerando la debole forza dei legami presenti tra i piani, che possono essere
facilmente rotti. Lo scorrimento reciproco dei piani, che avviene come conseguenza
della rottura dei legami tra i piani, è la causa dell’elevata sfaldabilità della grafite.
Le caratteristiche dei due materiali ne determinano le applicazioni industriali. La
durezza del diamante lo rende il materiale adatto per effettuare operazioni di taglio
e lucidatura. Mentre grazie alla sua fragilità e sfaldabilità, la grafite viene utilizzata
nelle mine delle matite, in quanto semplicemente strisciando la punta della mina su
un foglio se ne stende un sottile strato.
La chimica di Rippa - primo biennio - © Italo Bovolenta editore
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