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Forme allotropiche del carbonio: DIAMANTE E GRAFITE

Stesso elemento, diversi materiali: parliamo del diamante e della grafite!

L’altro ieri nella prima puntata di #ScienceBitch, abbiamo parlato della chimica del carbonio e Riccardo ha deciso di approfondire le forme allotropiche di questo prezioso elemento. Buona lettura!
William J.

Allotropia dal greco allos (altro) e tropos (modo) è un termine usato per nominare  singoli elementi o molecole che possono presentarsi in due o più forme diverse tra loro. Queste diverse forme possono differire per le proprietà chimiche e fisiche e per la loro struttura cristallina.

Elementi che hanno forme allotropiche e sono:

  • il fosforo(nelle forme “rosso”, “bianco”, “purpureo”, ecc.);
  • l’ossigeno (O2 e l’ozono O3);
  • il carbonio (nelle forme grafite,diamante,grafene, fullerene, nantubo).

Le forme allotropiche che più attirano l’attenzione sono quelle del carbonio e in particolar modo sono: il diamante e la grafite.

Il carbonio in natura si trova in sotto 4 forme allotropiche. In condizioni particolari di temperatura e pressione, all’interno della crosta terrestre, il carbonio può cristallizzare in diamante con una struttura tetraedrica, il minerale più duro che si conosca.

Si forma naturalmente quando il carbonio puro è sottoposto a pressioni tra 40 e 50 kbar e a temperature tra 900 e 1200 gradi.
Questo processo avviene a circa 200 chilometri sotto la superficie terrestre ma non è ancora del tutto chiaro perché provando a creare diamanti sintetici con le stesse condizioni di temperatura e pressione non si viene a creare lo stesso diamante.

Ora un po’ di chimica per spiegare la due  forme allotropiche più famose del carbonio: il diamante e la grafite.

Nel diamante:

  • Il C(carbonio 2s2 2p2 ) ibridato ad sp3 è legato a 4 atomi di carbonio.
  • Tutti gli elettroni di valenza sono usati per formare legami σ
  • Il diamante ha struttura tetraedrica
  • La presenza di forti legami covalenti(legame covalente è quello che si realizza mediante la condivisione di una o più coppie (o doppietti) di elettroni da parte di due atomi, che in tal modo acquistano la configurazione elettronica esterna stabile ) rende conto dell’elevata durezza e T di fusione
  • Il diamante è elettricamente isolante perché gli elettroni non possono muoversi (solo legami σ).

Curiosità :

Il nome deriva dal greco adamas (invincibile). Tradizionalmente, il diamante è associato a Venere che era simbolo di amore, bellezza e  fertilità ed era ritenuto in grado di liberare la persona da demoni e possessioni varie. Ormai da secoli  in India è considerato la pietra della meditazione, ed alcuni ritenevano  che montando un piccolo frammento di diamante  su un anello d’argento o di platino desse prosperità e invincibilità nelle sfide che si era disposti ad affrontare.  I diamanti hanno acquisito popolarità a partire dal 1800  grazie al miglioramento delle tecniche di taglio e lucidature e alla crescita dell’economia mondiale.

Ora vediamo un’altra forma allotropica del carbonio altrettanto famosa: la grafite. Con la grafite abbiamo contatto quasi ogni giorno perchè viene utilizzata per produrre matite,refrattari, lubrificanti, elettrodi e coloranti.Il suo nome deriva dal greco γράφω (grafo) che significa “io scrivo” (γραφειν “grafein” all’infinito).

GRAFITE:

  • Il C ibridato sp2 è legato ad altri 3 atomi di C
  • Gli atomi di C formano nel piano strutture esagonali
  • Su ogni atomo i C resta un orbitale p perpendicolare al piano con un elettrone spaiato
  • Si formano legami π delocalizzati responsabili della conducibilità nel piano della grafite
  • I piani sono tenuti insieme da deboli forze di van der Walls tra gli orbitali p di piani diversi
  • Le deboli forze di van der Walls spiegano la sfaldabilità della grafite

La grafite  si forma alla temperatura di 1.200 °C, ha la più alta temperatura di fusione  (3.500 °C) e conduce molto bene il calore e l’elettricità.

Curiosità :

Ci si sporca notevolmente le mani quando la si tocca,al tatto ,è viscosa e lascia traccie di colore grigio/nero.E’ impiegata come antiruggine nelle industrie elettriche ed  è presente negli impianti di raffreddamento delle centrali nucleari. Fogli bidimensionali di grafite chiamati GRAFENE sono stati utilizzati per realizzare i più piccoli transistor del mondo.

Qui finisce l’approfondimento sulle due famose forme allotropiche del carbonio. Spero sia stata una lettura interessante e di vostro gradimento. Alla prossima! e ricordate sempre: Viva la scienza e viva la conoscenza.

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