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Le forme allotropiche del carbonio
Il carbonio è un elemento fondamentale per la vita e il suo numero atomico è il 6. Esso si
trova nel quarto gruppo della tavola periodica e grazie al suo valore di elettronegatività ed
alla sua configurazione elettronica stabilisce esclusivamente legami covalenti. Ma la
particolarità più importante è che il carbonio può formare più di dieci milioni di composti,
grazie appunto al fenomeno dell’ibridazione e al valore di elettronegatività.
L'allotropia (dal greco allos, altro, e tropos, forma) è una caratteristica che indica la proprietà
di alcune sostanze chimiche di esistere in diverse forme, i cui atomi appartengono ad uno
stesso elemento chimico; infatti, si dice che le sostanze abbiano lo stesso chimismo ma,
habitus cristallino differente. Le diverse forme strutturali sono note come allotropi.
Il carbonio presenta varie forme allotropiche quali: diamante, grafite, grafene, fullerene e
nanotubo; i più importanti, però, sono i primi tre.
Il diamante: è un solido rigido, trasparente, elettricamente isolante. È la sostanza più dura
che si conosca infatti occupa il primo posto nella scala di Mohs.
Tale scala fu ideata nel 1812 dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs ed è ancora oggi
utilizzata e tiene conto della durezza dei materiali: la scala prende a riferimento dieci
materiali che sono ordinati progressivamente secondo la loro durezza dal più tenero
caratterizzato dal numero 1 al più duro indicato dal numero più alto, il 10. Nel diamante
ciascun atomo di carbonio è legato tramite un legame covalente a quattro altri atomi di
carbonio contigui tutti ibridati sp3 tramite legami σ, che avvolgono l’asse immaginario che
collega due atomi orizzontalmente.
Il diamante è largamente usato in gioielleria e ha prezzi molto diversi a seconda della caratura
e della qualità. Il peso del diamante si misura in carati (1 carato = 0.20 g); ma, il costo della
pietra non è proporzionale alla caratura.
Infatti, il valore commerciale del diamante dipende dalla combinazione di quattro fattori:
colore, purezza, peso e taglio.
La grafite: È la seconda forma allotropica del carbonio e possiede una struttura cristallina
composta da strati di atomi di carbonio organizzati in un reticolo esagonale. Questi strati,
tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals, consentono una facile separazione,
conferendo alla grafite morbidezza. Inoltre, la disposizione degli atomi di carbonio garantisce
alla grafite una notevole stabilità termica e resistenza chimica. Si distingue per le sue
straordinarie proprietà fisiche e chimiche, rendendolo uno dei materiali più versatili e
utilizzati in numerosi settori industriali.
La grafite ha origine metamorfica, ossia si genera a seguito di un processo detto
grafitizzazione che trasforma i resti biologici carboniosi in minerali. Si tratta dello stesso
processo che produce in condizioni differenti sia il carbone, che il diamante. La formazione
della grafite avviene dopo che i sedimenti subiscono per un lunghissimo periodo di tempo,
pressioni e temperature altissime (tra i 1500 e i 3000 °C). In Italia le miniere più importanti
sono in Val Chisone (Piemonte), in Val Bormida (Liguria) e in Calabria.
La grafite è conosciuta fin dalla più remota antichità. Nel IV millennio a.C. veniva utilizzata
come colorante nero in una vernice per decorare la ceramica. Nel XVIII secolo venne
chiamata "plumbago" o "piombo nero" con riferimento al piombo, poiché si pensava li
contenesse come impurità. In realtà il piombo non è presente nella sua composizione chimica.
È detta anche "mica dei pittori" per il suo aspetto lamellare e per la caratteristica di lasciare
tracce su carta. Il nome "grafite" deriva dal greco γράφω (grafo) che significa "io scrivo".
Questa sostanza può essere anche usata per produrre matite, materiale refrattario, lubrificanti,
coloranti, spazzole per macchine elettriche rotanti ed elettrodi per l'elettroerosione.
Il grafene: è un allotropo del carbonio costituito da un singolo strato di atomi di carbonio
localizzati in un reticolo esagonale. La parola grafene riflette il fatto che tecnicamente si
tratta di un enorme alchene, per la precisione, un enorme foglio di benzeni condensati.
Ciascun atomo di carbonio è connesso ai tre contigui tramite legami σ e legami π
delocalizzati, il che contribuisce a rendere il grafene una delle molecole più conduttive
conosciute. Ha la resistenza teorica del diamante e la flessibilità della plastica.
Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni, conseguite nel 2004, hanno valso il premio
Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell'Università di
Manchester; loro, con la tecnica delaminante del nastro adesivo e con un blocchetto di grafite,
riuscirono a scoprire il grafene.
Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali. In particolare, in
presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad
assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha un fullerene. Allo
stesso modo, la presenza di una cella isolata ettagonale, causa una deformazione che
trasforma la struttura planare in una sella.
Il grafene si ricava in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite sono trattati con una
soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico e poi ossidati ed esfoliati fino a
ottenere cerchi di grafene, con gruppi carbossilici ai bordi.
Presenta varie proprietà come:
 Proprietà ottiche: un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in
grado di assorbire il 2,3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo
spettro ottico. Per confronto, un film di silicio con lo stesso spessore assorbirebbe solo
lo 0,03% della luce.
 Proprietà termiche: il grafene è un ottimo conduttore termico, secondo solo al
diamante, e molte applicazioni commerciali sfruttano questa caratteristica.
Inoltre, il grafene ha portato molte innovazioni nel campo delle biotecnologie.
Il grafene è un substrato che può assumere molte forme con differenti proprietà e risulta
eccellente per generare materiali 2D che possono essere usati in dispositivi di registrazione e
stimolazione. La conduttività elettrica e la flessibilità di fogli di grafene a singolo strato
facilita notevolmente la registrazione dell’attività elettrica nel tessuto neuronale con grande
precisione. Per la stimolazione elettrica del sistema nervoso, come nel caso di pazienti colpiti
dal morbo di Parkinson, gli scienziati hanno selezionato l’ossido di grafene ridotto, che
produce dei substrati flessibili ma porosi, in grado di fornire la stimolazione per periodi più
lunghi. La sua capacità di essere funzionalizzato con ossigeno può essere sfruttata per la
somministrazione dei farmaci. Farmaci antinfiammatori, neurotrasmettitori o sostanze
attraenti neurali sono uniti a fogli di grafene rivestiti da idrogel e subito dopo vengono
rilasciati.
Sitografia:
www.chimicamo.org
https://www.chimicifisici.it/niente-paura-ce-il-carbonio/
https://www.products.pcc.eu/it/blog/quali-sono-le-varieta-allotropiche-di-carbonio/
https://www.chimica-online.it/download/allotropo.htm

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  • 1. Le forme allotropiche del carbonio Il carbonio è un elemento fondamentale per la vita e il suo numero atomico è il 6. Esso si trova nel quarto gruppo della tavola periodica e grazie al suo valore di elettronegatività ed alla sua configurazione elettronica stabilisce esclusivamente legami covalenti. Ma la particolarità più importante è che il carbonio può formare più di dieci milioni di composti, grazie appunto al fenomeno dell’ibridazione e al valore di elettronegatività. L'allotropia (dal greco allos, altro, e tropos, forma) è una caratteristica che indica la proprietà di alcune sostanze chimiche di esistere in diverse forme, i cui atomi appartengono ad uno stesso elemento chimico; infatti, si dice che le sostanze abbiano lo stesso chimismo ma, habitus cristallino differente. Le diverse forme strutturali sono note come allotropi. Il carbonio presenta varie forme allotropiche quali: diamante, grafite, grafene, fullerene e nanotubo; i più importanti, però, sono i primi tre. Il diamante: è un solido rigido, trasparente, elettricamente isolante. È la sostanza più dura che si conosca infatti occupa il primo posto nella scala di Mohs. Tale scala fu ideata nel 1812 dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs ed è ancora oggi utilizzata e tiene conto della durezza dei materiali: la scala prende a riferimento dieci materiali che sono ordinati progressivamente secondo la loro durezza dal più tenero caratterizzato dal numero 1 al più duro indicato dal numero più alto, il 10. Nel diamante ciascun atomo di carbonio è legato tramite un legame covalente a quattro altri atomi di carbonio contigui tutti ibridati sp3 tramite legami σ, che avvolgono l’asse immaginario che collega due atomi orizzontalmente. Il diamante è largamente usato in gioielleria e ha prezzi molto diversi a seconda della caratura e della qualità. Il peso del diamante si misura in carati (1 carato = 0.20 g); ma, il costo della pietra non è proporzionale alla caratura. Infatti, il valore commerciale del diamante dipende dalla combinazione di quattro fattori: colore, purezza, peso e taglio. La grafite: È la seconda forma allotropica del carbonio e possiede una struttura cristallina composta da strati di atomi di carbonio organizzati in un reticolo esagonale. Questi strati,
  • 2. tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals, consentono una facile separazione, conferendo alla grafite morbidezza. Inoltre, la disposizione degli atomi di carbonio garantisce alla grafite una notevole stabilità termica e resistenza chimica. Si distingue per le sue straordinarie proprietà fisiche e chimiche, rendendolo uno dei materiali più versatili e utilizzati in numerosi settori industriali. La grafite ha origine metamorfica, ossia si genera a seguito di un processo detto grafitizzazione che trasforma i resti biologici carboniosi in minerali. Si tratta dello stesso processo che produce in condizioni differenti sia il carbone, che il diamante. La formazione della grafite avviene dopo che i sedimenti subiscono per un lunghissimo periodo di tempo, pressioni e temperature altissime (tra i 1500 e i 3000 °C). In Italia le miniere più importanti sono in Val Chisone (Piemonte), in Val Bormida (Liguria) e in Calabria. La grafite è conosciuta fin dalla più remota antichità. Nel IV millennio a.C. veniva utilizzata come colorante nero in una vernice per decorare la ceramica. Nel XVIII secolo venne chiamata "plumbago" o "piombo nero" con riferimento al piombo, poiché si pensava li contenesse come impurità. In realtà il piombo non è presente nella sua composizione chimica. È detta anche "mica dei pittori" per il suo aspetto lamellare e per la caratteristica di lasciare tracce su carta. Il nome "grafite" deriva dal greco γράφω (grafo) che significa "io scrivo". Questa sostanza può essere anche usata per produrre matite, materiale refrattario, lubrificanti, coloranti, spazzole per macchine elettriche rotanti ed elettrodi per l'elettroerosione. Il grafene: è un allotropo del carbonio costituito da un singolo strato di atomi di carbonio localizzati in un reticolo esagonale. La parola grafene riflette il fatto che tecnicamente si tratta di un enorme alchene, per la precisione, un enorme foglio di benzeni condensati. Ciascun atomo di carbonio è connesso ai tre contigui tramite legami σ e legami π delocalizzati, il che contribuisce a rendere il grafene una delle molecole più conduttive conosciute. Ha la resistenza teorica del diamante e la flessibilità della plastica.
  • 3. Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni, conseguite nel 2004, hanno valso il premio Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell'Università di Manchester; loro, con la tecnica delaminante del nastro adesivo e con un blocchetto di grafite, riuscirono a scoprire il grafene. Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha un fullerene. Allo stesso modo, la presenza di una cella isolata ettagonale, causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella. Il grafene si ricava in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite sono trattati con una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico e poi ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene, con gruppi carbossilici ai bordi. Presenta varie proprietà come:  Proprietà ottiche: un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in grado di assorbire il 2,3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo spettro ottico. Per confronto, un film di silicio con lo stesso spessore assorbirebbe solo lo 0,03% della luce.  Proprietà termiche: il grafene è un ottimo conduttore termico, secondo solo al diamante, e molte applicazioni commerciali sfruttano questa caratteristica. Inoltre, il grafene ha portato molte innovazioni nel campo delle biotecnologie. Il grafene è un substrato che può assumere molte forme con differenti proprietà e risulta eccellente per generare materiali 2D che possono essere usati in dispositivi di registrazione e stimolazione. La conduttività elettrica e la flessibilità di fogli di grafene a singolo strato facilita notevolmente la registrazione dell’attività elettrica nel tessuto neuronale con grande precisione. Per la stimolazione elettrica del sistema nervoso, come nel caso di pazienti colpiti dal morbo di Parkinson, gli scienziati hanno selezionato l’ossido di grafene ridotto, che produce dei substrati flessibili ma porosi, in grado di fornire la stimolazione per periodi più lunghi. La sua capacità di essere funzionalizzato con ossigeno può essere sfruttata per la somministrazione dei farmaci. Farmaci antinfiammatori, neurotrasmettitori o sostanze attraenti neurali sono uniti a fogli di grafene rivestiti da idrogel e subito dopo vengono rilasciati.