Introduzione alla chimica

Termini

• Metà vitaIn un processo di decadimento radioattivo, la quantità di tempo necessaria per finire con la metà del materiale originale (non decaduto).
• datazione radiometricaUna tecnica usata per datare i materiali confrontando l’abbondanza naturale degli atomi radioattivi con i loro prodotti di decadimento rimanenti.
• allotropiDiverse forme di un elemento chimico che si trovano nel suo stato naturale.

Il carbonio è l’elemento chimico con il simbolo C e il numero atomico 6 (contiene 6 protoni nel suo nucleo). Come membro del gruppo 14 della tavola periodica, non è metallico ed è tetravalente, rendendo disponibili quattro elettroni per formare legami chimici covalenti. L’isotopo più comune del carbonio ha 6 protoni e 6 neutroni, e ha una massa atomica di 12,0107 amu. La sua configurazione degli elettroni allo stato fondamentale è 1s22s22p2. Il suo stato di ossidazione varia da 4 a -4, e ha un valore di elettronegatività di 2,55 sulla scala di Pauling. È un solido e sublima a 3.642 °C (ha il punto di sublimazione più alto di tutti gli elementi).

Allotropi del carbonio

Il carbonio ha diversi allotropi, o forme diverse in cui esiste. È interessante notare che gli allotropi del carbonio coprono una vasta gamma di proprietà fisiche: il diamante è la sostanza naturale più dura, e la grafite è una delle sostanze più morbide conosciute. Il diamante è trasparente, l’abrasivo per eccellenza, e può essere un isolante elettrico e un conduttore termico. Al contrario, la grafite è opaca, un ottimo lubrificante, un buon conduttore di elettricità e un isolante termico. Gli allotropi del carbonio non si limitano al diamante e alla grafite, ma includono anche i buckyball (fullereni), il carbonio amorfo, il carbonio vetroso, la nano-schiuma di carbonio, i nanotubi e altri.

Reattività chimica del carbonio

I composti del carbonio sono alla base di tutta la vita conosciuta sulla Terra, e il ciclo carbonio-azoto fornisce parte dell’energia prodotta dal sole e da altre stelle. Il carbonio ha un’affinità per legarsi con altri piccoli atomi, compresi altri atomi di carbonio, attraverso la formazione di legami covalenti stabili. Nonostante sia presente in un vasto numero di composti, il carbonio è debolmente reattivo rispetto ad altri elementi in condizioni normali. A temperatura e pressione standard, resiste all’ossidazione; non reagisce con l’acido solforico, l’acido cloridrico, il cloro o i metalli alcalini. A temperature più alte, il carbonio reagisce con l’ossigeno per dare ossidi di carbonio e con i metalli per dare carburi metallici.

Il carbonio ha la capacità di formare catene molto lunghe di legami C-C forti e stabili. Questa proprietà permette al carbonio di formare un numero quasi infinito di composti; infatti, ci sono più composti conosciuti contenenti carbonio che tutti i composti degli altri elementi chimici messi insieme, eccetto quelli dell’idrogeno (perché quasi tutti i composti organici contengono anche idrogeno).

Isotopi del carbonio

Il carbonio ha due isotopi stabili, presenti in natura: carbonio-12 e carbonio-13. Il carbonio-12 costituisce il 98,93% e il carbonio-13 forma il restante 1,07%. La concentrazione di 12C è ulteriormente aumentata nei materiali biologici perché le reazioni biochimiche discriminano il 13C. L’identificazione del carbonio negli esperimenti NMR viene fatta con l’isotopo 13C. Il 14C è un isotopo radioattivo del carbonio con un’emivita di 5730 anni. Ha un’abbondanza naturale molto bassa (0,0000000001%) e decade a 14N attraverso il decadimento beta. È usato nella datazione radiometrica per determinare l’età di campioni carbonacei (di origine fisica o biologica) fino a circa 60.000 anni.

In totale, ci sono 15 isotopi noti del carbonio e il più a vita breve di questi è 8C, che decade attraverso l’emissione di protoni e il decadimento alfa, e ha un’emivita di 1,98739 x 10-21 secondi. L’esotico 19C presenta un alone nucleare, il che significa che il suo raggio è sensibilmente più grande di quanto ci si aspetterebbe se il nucleo fosse una sfera di densità costante.