Che cosa sono gli allotropi?
Gli allotropi sono forme diverse dello stesso elemento nello stesso stato fisico. Gli atomi sono uguali; cambia solo il modo in cui sono uniti.
Il carbonio sta nel Gruppo 14 (vecchio Gruppo 4). Ha 4 elettroni esterni, quindi ogni atomo può condividere elettroni e fare fino a 4 legami covalenti. Un legame covalente è una coppia di elettroni condivisa ed è molto forte.
Poiché il carbonio può unirsi in schemi diversi, otteniamo diamante, grafite, grafene e fullereni. Le loro proprietà sono molto diverse, anche se sono tutti carbonio puro.
Diamante: una struttura covalente gigante
Nel diamante ogni atomo di carbonio è unito ad altri 4 atomi di carbonio da forti legami covalenti. Si forma un enorme reticolo 3D chiamato struttura covalente gigante.
- Durissimo: per scalfirlo si devono rompere moltissimi legami forti. È la sostanza naturale più dura.
- Punto di fusione altissimo (oltre 3500 °C): serve molta energia per rompere così tanti legami.
- Non conduce l'elettricità: tutti e 4 gli elettroni esterni sono usati nei legami, quindi non ci sono elettroni liberi né ioni che possano muoversi.
Usi: utensili da taglio, punte da trapano, tagliavetro e gioielli (brilla perché piega molto la luce).
Grafite: strati che scivolano
Nella grafite ogni atomo di carbonio si lega ad altri 3 soltanto. Gli atomi formano strati piatti di esagoni (anelli a sei lati).
- I legami dentro uno strato sono forti legami covalenti, perciò anche la grafite ha un punto di fusione altissimo.
- Le forze tra gli strati sono deboli, quindi gli strati scivolano l'uno sull'altro. La grafite è morbida e scivolosa.
- Ogni atomo ha un elettrone in più che non è in un legame. Questi elettroni delocalizzati possono muoversi lungo gli strati, perciò la grafite conduce elettricità e calore.
Usi: mine delle matite, elettrodi per l'elettrolisi e le batterie, lubrificante secco per le macchine.
Grafene, fullereni e nanotubi
Il grafene è un singolo strato di grafite, spesso un solo atomo. È molto resistente rispetto al suo peso, quasi trasparente e ottimo conduttore. Usi in sviluppo: elettronica flessibile, batterie migliori e materiali più forti e leggeri (compositi).
I fullereni sono molecole di carbonio a forma di palle o tubi vuoti. Sono fatti soprattutto di esagoni, con alcuni pentagoni (anelli a cinque lati) o ettagoni che li fanno curvare. Il primo scoperto fu il buckminsterfullerene, C₆₀, che sembra un pallone da calcio.
I nanotubi di carbonio sono fullereni arrotolati in cilindri lunghi e sottili. Hanno un rapporto lunghezza/larghezza molto alto, alta resistenza alla trazione e buona conducibilità. Usi: rinforzare attrezzi sportivi, elettronica e nanotecnologie.
I fullereni possono portare molecole di farmaco dentro la loro gabbia (trasporto di farmaci), fare da lubrificanti e da catalizzatori grazie alla grande superficie.
Proprietà chimiche del carbonio
Tutti gli allotropi sono carbonio, quindi reagiscono allo stesso modo. A temperatura ambiente il carbonio è piuttosto poco reattivo.
- Combustione con molto ossigeno: C + O₂ → CO₂ (anidride carbonica). Anche il diamante brucia se scaldato molto nell'ossigeno!
- Combustione con poco ossigeno: 2C + O₂ → 2CO (monossido di carbonio, un gas velenoso).
- Come riducente: il carbonio caldo toglie ossigeno ad alcuni ossidi metallici, ad es. 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Così si ottiene il ferro dal minerale di ferro nell'altoforno.
Bruciando un diamante e un pezzo di grafite si ottiene lo stesso gas, CO₂. Questo prova che entrambi sono fatti solo di carbonio.
Formule e definizioni chiave
- Allotropi = forme di un solo elemento con atomi disposti in modo diverso
- Diamante: 4 legami per atomo, reticolo 3D gigante → duro, fusione alta, non conduce
- Grafite: 3 legami per atomo, strati di esagoni + elettroni delocalizzati → morbida, conduce
- Grafene: uno strato di grafite; fullereni: gabbie vuote (C₆₀); nanotubi: cilindri arrotolati
- C + O₂ → CO₂ (molta aria); 2C + O₂ → 2CO (poca aria)
- 2CuO + C → 2Cu + CO₂ (il carbonio come riducente)
Esempi svolti
1. Diamante e grafite hanno entrambi punti di fusione altissimi, ma solo la grafite conduce. Spiega.
Entrambi hanno strutture giganti tenute da moltissimi legami covalenti forti, che richiedono molta energia per essere rotti, quindi fondono a temperature altissime. Nel diamante tutti e 4 gli elettroni esterni sono nei legami, perciò nessuna carica può muoversi. Nella grafite ogni atomo usa solo 3 elettroni nei legami; il quarto è delocalizzato e si muove lungo gli strati, portando la corrente.
2. Perché la grafite si usa come lubrificante e il diamante no?
Gli strati della grafite sono tenuti insieme solo da forze deboli, quindi scivolano facilmente l'uno sull'altro e riducono l'attrito. Gli atomi del diamante sono bloccati in ogni direzione da legami forti, quindi nulla scivola.
3. Quanti legami ci sono in una molecola di C₆₀ se ogni atomo si lega ad altri 3?
Ognuno dei 60 atomi ha 3 legami: 60 × 3 = 180 estremità di legame. Ogni legame unisce 2 atomi, quindi è contato due volte. Legami = 180 ÷ 2 = 90.
Errori comuni
- Dire che la grafite conduce per via degli ioni. La grafite non ha ioni; conduce grazie agli elettroni delocalizzati.
- Dire che gli strati della grafite scivolano perché i legami covalenti sono deboli. I legami dentro gli strati sono forti; solo le forze tra gli strati sono deboli.
- Chiamare il C₆₀ una struttura gigante. Un fullerene è una molecola con un numero fisso di atomi.
- Pensare che gli allotropi siano elementi o composti diversi. Tutti gli allotropi del carbonio sono carbonio puro e bruciando danno solo CO₂.