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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.
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Jetzt kostenlos anmeldenChe 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.
Le strutture di carbonio sono strutture composte dall'elemento carbonio.
Queste strutture sono tutte note come allotropi del carbonio.
Un allotropo è una delle due o più forme diverse dello stesso elemento.
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.
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.
Il diamante è una macromolecola composta interamente da carbonio.
Una macromolecola è una molecola molto grande composta da centinaia di atomi legati covalentemente tra loro.
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.
Un reticolo è una disposizione regolare e ripetuta di atomi, ioni o molecole. In questo contesto, "gigante" significa che contiene un numero elevato ma indeterminato di atomi.
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.
È bene ricordare che i legami covalenti sono estremamente forti. Per questo motivo, il diamante ha determinate proprietà.
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°.
La struttura unica della grafite le conferisce caratteristiche fisiche diverse da quelle del diamante. Le sue proprietà includono:
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.
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.
Una forma allotropica si tratta di una forma diversa di uno stesso elemento.
Il carbonio può formare quattro legami con gli altri atomi.
Un reticolo è una disposizione regolare e ripetuta di atomi, ioni o molecole. In questo contesto, "gigante" significa che contiene un numero elevato ma indeterminato di atomi.
Flashcards in Forme allotropiche del carbonio12
Start learningIl diamante e la grafite sono entrambi allotropi del carbonio. La grafite è comunemente usata come elettrodo. Perché il diamante non viene utilizzato in questo modo?
La grafite è adatta a questo uso perché contiene elettroni delocalizzati in grado di trasportare una carica e quindi può condurre l'elettricità, mentre il diamante non può condurre l'elettricità perché non contiene particelle libere di muoversi in grado di trasportare una carica - tutti i suoi elettroni sono legati.
Indicare la configurazione elettronica del carbonio.
1s22s2sp2
Che cos'è un allotropo?
Una delle due o più forme dello stesso elemento.
Indicare il numero massimo di legami che un atomo di carbonio può formare.
4
Definire la macromolecola.
Una grande molecola composta da centinaia di atomi legati covalentemente tra loro.
Definire reticolo
Una disposizione regolare e ripetuta di atomi, ioni o molecole.
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