Che cosa hanno in comune le fedi di diamante, le matite da disegno, le magliette di cotone e le bevande energetiche? Sono tutti fatti principalmente di carbonio. Il carbonio è uno degli elementi fondamentali della vita. Ad esempio, costituisce il 18,5% della massa del corpo umano: lo troviamo in luoghi come le cellule muscolari, il flusso sanguigno e le guaine conduttive che circondano i neuroni. Questi composti sono generalmente costituiti da carbonio legato ad altri elementi, come l'idrogeno, e verranno approfonditi in Chimica organica. Tuttavia, si possono trovare anche strutture fatte solo di carbonio. Ne sono un esempio il diamante e la grafite.

Queste strutture sono tutte note come allotropi del carbonio.

Sebbene gli allotropi possano condividere la stessa composizione chimica, hanno strutture e proprietà molto diverse, che vedremo tra poco. Ma per ora analizziamo il modo in cui il carbonio forma i legami.

Come si lega il carbonio?

Il carbonio è un non-metallo con un numero atomico pari a 6, ovvero ha sei protoni e sei elettroni. Ha la configurazione elettronica 1s²2s²2p² . Se non siete sicuri di cosa significhi, consultate la sezione Configurazione elettronica e gusci di elettroni per ulteriori informazioni.

Fig. 1 - Il carbonio ha numero atomico 6 e numero di massa 12, con una cifra decimale.

Ignorando i sottogusci, nell'immagine sottostante possiamo vedere che il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno, noto anche come guscio di valenza.

Fig. 2 - Gusci degli elettroni del carbonio. Contiene quattro elettroni di valenza

Ciò significa che il carbonio può formare fino a quattro legami covalenti con altri atomi. Se ricordate il legame covalente, un legame covalente è una coppia condivisa di elettroni. In effetti, il carbonio raramente si trova con qualcosa di diverso da quattro legami, perché formare quattro legami covalenti significa avere otto elettroni di valenza. Questo gli conferisce la configurazione elettronica di un gas nobile con un guscio esterno pieno, che è una disposizione stabile.

Fig. 3 - Gusci degli elettroni del carbonio. Qui è mostrato il legame con quattro atomi di idrogeno per formare il metano. Ogni legame covalente contiene un elettrone dell'atomo di carbonio e uno dell'atomo di idrogeno. Il carbonio ha ora un guscio di valenza completo di elettroni.

Questi quattro legami covalenti possono essere tra il carbonio e quasi ogni altro elemento, sia esso un altro atomo di carbonio, un gruppo alcolico (-OH) o l'azoto. Tuttavia, in questo articolo ci occupiamo delle varie strutture che forma quando si lega ad altri atomi di carbonio per formare diversi allotropi. Tutti questi allotropi vengono chiamati strutture di carbonio. Esse comprendono il diamante e la grafite. Approfondiamo entrambi.

Come definiamo un diamante?

Il diamante è una macromolecola composta interamente da carbonio.

Nel diamante, ogni atomo di carbonio forma quattro legami covalenti singoli con gli altri atomi di carbonio che lo circondano, dando vita a un reticolo gigante che si estende in tutte le direzioni.

Fig. 4 - Rappresentazione della struttura reticolare del diamante. In realtà, il reticolo è estremamente ampio e si estende in tutte le direzioni. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro carboni da legami covalenti singoli.

Tre proprietà

È bene ricordare che i legami covalenti sono estremamente forti. Per questo motivo, il diamante ha determinate proprietà.

• Elevati punti di fusione e di ebollizione. Questo perché i legami covalenti richiedono molta energia per essere superati e, di conseguenza, il diamante è solido a temperatura ambiente.
• Duro e forte, grazie alla forza dei suoi legami covalenti.
• Insolubile in acqua e solventi organici.
• Non conduce elettricità. Questo perché non ci sono particelle cariche libere di muoversi all'interno della struttura.

Che cos'é la grafite?

Anche la grafite è un allotropo del carbonio. Ricordiamo che gli allotropi sono forme diverse dello stesso elemento, quindi, come il diamante, è composta solo da atomi di carbonio. Tuttavia, ogni atomo di carbonio nella grafite forma solo tre legami covalenti con altri atomi di carbonio. Questo crea una disposizione trigonale planare, come previsto dalla teoria della repulsione delle coppie di elettroni, che verrà approfondita in Forme delle molecole. L'angolo tra ciascun legame è \( 120 °\).

Gli atomi di carbonio formano uno strato esagonale 2D, quasi come un foglio di carta. Quando sono impilati, non ci sono legami covalenti tra gli strati, ma solo deboli forze intermolecolari.

Tuttavia, ogni atomo di carbonio ha ancora un elettrone rimanente. Questo elettrone si sposta in una regione sopra e sotto l'atomo di carbonio, fondendosi con gli elettroni degli altri atomi di carbonio dello stesso strato. Tutti questi elettroni possono muoversi ovunque all'interno di questa regione, anche se non possono spostarsi tra gli strati. Si dice che gli elettroni sono delocalizzati. È come il mare della delocalizzazione in un metallo (vedi Legame metallico).

Fig. 5 - Grafite. Gli strati piatti si sovrappongono l'uno all'altro e sono tenuti insieme da deboli forze intermolecolari, rappresentate dalle linee tratteggiate.

Fig. 6 - L'angolo tra i legami della grafite è di 120°.

Le proprietà della grafite

La struttura unica della grafite le conferisce caratteristiche fisiche diverse da quelle del diamante. Le sue proprietà includono:

• È morbido e sfaldabile. Sebbene i legami covalenti tra gli atomi di carbonio siano molto forti, le forze intermolecolari tra gli strati sono deboli e non richiedono molta energia per essere superate. È quindi molto facile che gli strati scivolino l'uno sull'altro e si sfreghino, ed è per questo che la grafite viene usata come mina nelle matite.
• Ha punti di fusione e di ebollizione elevati. Questo perché ogni atomo di carbonio è ancora legato ad altri tre atomi di carbonio con forti legami covalenti, proprio come nel diamante.
• È insolubile in acqua, proprio come il diamante.
• È un buon conduttore di elettricità. Gli elettroni delocalizzati sono liberi di muoversi tra gli strati della struttura e trasportano una carica.

Grafene

Un singolo foglio di grafite è chiamato grafene. È il materiale più sottile mai isolato, con uno spessore di un solo atomo. Il grafene ha proprietà simili a quelle della grafite. Ad esempio, è un ottimo conduttore di elettricità. Tuttavia, è anche a bassa densità, flessibile ed estremamente resistente per la sua massa. In futuro si potrebbero trovare dispositivi elettronici indossabili fatti di grafene incorporati nei vestiti. Attualmente lo utilizziamo per la somministrazione di farmaci e per i pannelli solari.

Confronto tra diamante e grafite

Sebbene il diamante e la grafite presentino molte analogie, hanno anche delle differenze. La tabella seguente riassume queste informazioni.

Fig. 7 - Una tabella che riassume le somiglianze e le differenze tra diamante e grafite.