Ibridazione del carbonio: le “forme” della materia

Il carbonio è uno degli elementi più importanti in natura. È un componente essenziale di tutta la materia vivente ed è la base della chimica organica e di tutte le macromolecole biologiche come proteine ed acidi nucleici. La percentuale di carbonio nei mammiferi è di circa il 22 % del peso corporeo. Si trova anche in forma inorganica come ad esempio l’anidride carbonica nell’atmosfera.

Caratteristiche chimiche

Questo elemento avente simbolo C appartiene al IV gruppo della tavola periodica. È un non metallo, il suo peso atomico è 6 e la sua massa atomica è 12. Per quanto riguarda i suoi isotopi, il più abbondante in natura è l’isotopo 12 con un’abbondanza di circa il 98,8%. Un altro isotopo è il 13 la cui abbondanza è di circa l’1%, mentre l’isotopo 14 lo si ritrova solo in tracce. Quest’ultimo pero è molto importante dal punto di vista storico, poiché viene utilizzato per le datazioni di reperti archeologici. Questo è possibile dal momento che l’isotopo 14 del carbonio ha una lunga durata rispetto alla vita di un organismo vivente.

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Ibridazione

Carbonio

La configurazione elettronica del carbonio è 1s2, 2s2, 2p2. Nel suo livello energetico più esterno presenta un orbitale di tipo s e tre orbitali di tipo p. L’orbitale s presenta due elettroni appaiati, due orbitali p presentano ognuno un elettrone spaiato, mentre l’ultimo orbitale p è vuoto. Il carbonio può quindi arrivare a formare un massimo di quattro legami, che corrispondono al riempimento di tutti gli orbitali. Gli orbitali s e p del carbonio possono però “fondersi” a formare orbitali ibridi grazie al fenomeno dell’ibridazione. Attraverso questa unione si forma un orbitale detto sp.

Diversi tipi di ibridazione in base al numero degli orbitali p

• ibridazione sp3: deriva dalla fusione di tre orbitali p con un orbitale s. Gli orbitali così formati si dispongono con un angolo di 109,5° l’uno rispetto all’altro a formare una struttura a tetraedro. Tutti gli orbitali contengono lo stesso livello energetico. Nel carbonio ibridato sp3 ogni orbitale può formare un solo legame con un altro elemento. In particolare si può formare un legame tra due orbitali ibridi di due elementi, definito legame sigma (σ). Questo avviene ad esempio tra due atomi di carbonio adiacenti.
• ibridazione sp2: gli orbitali ibridi derivano dall’unione di due orbitali p con l’orbitale di tipo s, mentre il terzo non è ibridato. Un orbitale ibrido può formare un legame di tipo σ mentre l’orbitale p non ibridato può formare un altro legame detto pi greco (π). Gli altri due orbitali ibridi possono formare altri due legami covalenti con altri due elementi.
• ibridazione sp: un orbitale p si fonde con s formando due orbitali ibridi sp mentre due orbitali p non sono ibridati. In questo caso si potranno formare un legame σ e due legami π, mentre l’ultimo orbitale potrà essere messo a disposizione di un altro elemento.
  In tutti i tipi di ibridazione il carbonio è capace di formare quattro legami.

Alcuni elementi in natura possono trovarsi in diverse forme dette allotropiche. Lo stesso elemento che forma una sostanza pura può formare materiali straordinariamente diversi tra loro. Il carbonio possiede questa proprietà. Infatti si possono trovare materiali costituiti tutti da carbonio puro, ma avente caratteristiche e proprietà differenti. Ciò deriva da un diverso grado di cristallizzazione della materia e dal tipo di ibridazione degli orbitali.

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Forme allotropiche del carbonio

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  Diamante

  Diamante: presenta ibridazione di tipo sp3 in cui ciascun atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio formando un tetraedro. In questo modo risulta una struttura cristallina molto ordinata. La struttura chimica del diamante ne determina le proprietà fisiche, la durezza in particolare. È infatti considerato in base alla scala di Mohs (metodo per misurare la durezza) il materiale più duro in natura. Questa proprietà dipende comunque dalla quantità di impurezze presenti nel reticolo cristallino. Per quanto riguarda altre proprietà fisiche non è un buon conduttore di elettricità, molto spesso è un isolante elettrico. È invece un buon conduttore termico e ha un’ottima resistenza al calore.

• Grafite: il carbonio è ibridato sp2, si lega ad altri tre carboni a formare strutture esagonali su diversi piani. Ciascun piano è legato ad un altro grazie ad interazioni deboli dette di Van der Waals. Su ogni atomo di carbonio resta un elettrone in un orbitale p che può formare legami di tipo π perpendicolari al piano del reticolo. Questo conferisce molte delle proprietà fisiche alla grafite tra cui una buona conducibilità elettrica. Se si ha invece un unico strato di esagoni di carbonio si ottiene il grafene, una struttura che ha una notevole resistenza meccanica ma nello stesso tempo una buona flessibilità.

Altre forme allotropiche del carbonio

• Fullerene: forma allotropica scoperta più di recente. è una struttura sferica a 60 atomi di carbonio (C60) disposti a formare 20 esagoni e 12 pentagoni, la forma di un tipico pallone da calcio. Il nome completo della struttura è buckminsterfullerene, in onore dell’architetto Richard Buckminster Fuller che ideò una cupola con la stessa forma. Tutte le strutture simili al fullerene, ma con diverso numero di atomi di carbonio sono più note come buckyball. Il fullerene è strutturalmente simile alla grafite, è stabile a temperatura e pressione ambiente e poco reattivo. Sono stati avviati anche studi in campo biomedico che utilizzano il fullerene come legante specifico di molecole. Queste molecole possono servire per combattere la resistenza agli antibiotici di alcuni batteri o addirittura portare alla morte selettiva di cellule cancerose. Molti studi su questa particolare struttura sono oggi ancora in corso.
• Nanotubi di carbonio: la struttura chimica del grafene in particolari condizioni fisiche tende a richiudersi su sé stesso formando dei tubi cilindrici. Può presentare un singolo foglietto ripiegato su sé stesso, a parete singola oppure più foglietti concentrici, a parete multipla. La struttura presenta solitamente un’organizzazione a esagoni o pentagoni. Sono molto resistenti dal punto di vista meccanico, possono essere buoni conduttori elettrici, semiconduttori o isolanti, in base al loro diametro. Per tutta questa serie di caratteristiche possono essere utilizzati in molti campi, dalla meccanica alla medicina. In particolare negli ultimi anni sono stati creati molti biosensori chimici e biologici basati sull’uso di nanotubi legati a molecole di origine biologica. Ma non solo: sono state progettate batterie al litio con nanotubi capaci di durare più a lungo rispetto alle comuni batterie.

Maria Chiara Di Maio

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