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Il carbonio 


  Simbolo C ;
peso atomico 12 ;
numero atomico 6 ;
non metallo brucia all'aria formando
anidride carbonica

 Il Carbonio è un elemento molto diffuso in natura sia allo stato libero   sia   nei   suoi  composti. Non   combinato   con altri elementi, cioè allo stato puro, si presenta in due forme cristalli­ne molto differenti fra loro: il diamante e la grafite.

DIAMANTE

 E' la sostanza più dura che si conosca, capace di tagliare il ve­tro con facilità. Ha un potere rifrangente molto elevato, che viene ancora aumentato da una particolare sfaccettatura ottenuta da una sapiente lavorazione del diamante grezzo. Per lavorare il diamante si usano delle mole cosparse di polvere di altri diamanti.
Il diamante BRUCIA producendo anidride carbonica. Una costosissi­ma esperienza fu realizzata da Lavoisier nel 1772: egli si  associò ad altri chimici per comperare un diamante che venne  riscaldato a contatto con l'aria, in un recipiente chiuso, fino alla  sua totale  trasformazione in anidride carbonica. Egli  dimostrò  così che  il  diamante ha composizione simile a  quella  dell'umile carbone che si ricava dal legno.

  GRAFITE

 Sostanza  opaca e untuosa al tatto. E' TENERA e viene  usata  per fabbricare  le  mine delle matite. Pur non essendo un  metallo  la grafite conduce bene la corrente elettrica e il calore: per questo viene  usata per costruire elettrodi e crogiuoli resistenti  alle alte temperature.
Il  diamante  e la grafite sono carbonio allo stato  puro, ma  il carbonio si trova in natura anche allo stato non puro e combinato con altri elementi.

    Il CARBON FOSSILE ad esempio può essere costituito da  grosse percentuali di carbonio. Esso si trova in enormi giacimenti formatisi   con  la  lenta carbonizzazione, fuori  dal  contatto   con l'aria, di vegetali appartenenti a remote epoche geologiche. Durante il processo di carbonizzazione la CELLULOSA delle piante, che è costituita da Carbonio, Ossigeno e Idrogeno, perde parte dell'Ossigeno e dell'Idrogeno e si trasforma in carbonio quasi puro.

    Il CARBONE ARTIFICIALE può essere ottenuto bruciando  cataste di legna coperte di terra per diminuire il contatto con l'aria  al fine di evitare la completa combustione. Ciò che si  ottiene è il cosiddetto carbone di legna che in tempi passati era usato  come combustibile per cucina.

ATTENZIONE! In presenza di molta aria il Carbonio brucia formando  Anidride carbonica ( CO2 ): gas  incolore, inodoro, IRRESPIRABILE, ma non  velenoso. 

Se l'Ossigeno scarseggia, come succede  quando  una stufa  o fornello hanno un tiraggio difettoso, si forma Ossido  di carbonio ( CO ) : 

      

gas VELENOSISSIMO anche in piccole tracce, molto pericoloso poiché, essendo inodoro ed incolore, non viene  riconosciuto dai nostri sensi e perciò non ci dà possibilità di difesa. Esso si lega all'emoglobina del sangue e, non abbandonandola più, impedisce ai globuli rossi di rifornirsi di ossigeno nei polmoni. Quando tutti i globuli rossi sono impegnati dall'ossido di carbonio non si riesce più a respirare cioè a fornire l'ossigeno alle cellule .

 
L'Anidride carbonica viene utilizzata per fabbricare  bevande gasate, estintori e per produrre il ghiaccio secco per la  conser­vazione dei gelati.

IL CARBONIO E LA CHIMICA ORGANICA
Fino alla prima metà del secolo scorso, gli scienziati riteneva­no fermamente che tutte le sostanze presenti negli esseri  viven­ti, animali e piante, avessero una composizione e una struttura tali  da non poter essere riprodotti in laboratorio. Questa  teoria venne  smentita nel 1828 dal chimico tedesco WOHLER che riuscì  a preparare  in  laboratorio l'UREA, sostanza di  rifiuto  presente nell'urina di molti animali fra cui l'uomo.
Cadde  così la convinzione che fosse impossibile preparare  sostanze  simili  a  quelle  che  vengono  prodotte  dagli esseri viventi. Molti scienziati, da quel momento, si dedicarono allo stu­dio approfondito delle sostanze costituenti gli organismi viventi (SOSTANZE ORGANICHE) e cercarono di riprodurle in laboratorio ot­tenendo successi notevoli e dando inizio così a una nuova scienza: LA CHIMICA ORGANICA. Poiché la maggior parte delle sostanze organiche contiene Carbonio   insieme  a  pochi  altri   elementi   quali Idrogeno, Ossigeno, Azoto e Zolfo, si può affermare che questa nuova scienza studia i composti del Carbonio.

IDROCARBURI
Sono  costituiti  da CARBONIO e IDROGENO e  sono  numerosissimi perchè  gli atomi di Carbonio hanno la proprietà di  legarsi  fra loro a formare lunghe catene (fino a 70 atomi di Carbonio).

Il più semplice degli Idrocarburi è il METANO (formula CH4)

(attenzione il 4 deve essere scritto a destra di H , ma  piccolino).

  ALESSANDRO  VOLTA nel 1776 osservando le bolle gassose che  af­fioravano in una zona paludosa vicina a Como, raccolse questo  gas e lo chiamò "gas delle paludi". Usando una caffettiera di  porcel­lana piena di questo gas che è infiammabilissimo, costruì la prima lampada a gas.

  Nelle miniere si forma spesso una miscela di aria e metano det­ta  "grisou" che essendo fortemente  esplosiva, provoca  terribili sciagure.

  Altri Idrocarburi sono: ETANO, PROPANO, BUTANO, PENTANO, ESANO, ecc.

  ETANO,PROPANO,BUTANO sono gassosi come il METANO e trovano  im­piego  come combustibili in cucina o nel riscaldamento degli  am­bienti.

  Grandi  quantità di questi gas si ricavano  come  sottoprodotti dalla lavorazione del petrolio.

  I composti con più di 4 atomi di Carbonio sono LIQUIDI fino  al composto con 15 atomi di carbonio (PENTADECANO  C15H32)

      H                  H  H             H  H  H                 H  H  H   H
       |                    |    |               |    |    |                   |    |    |     |

  H--C--H        H--C--C--H   H--C--C--C--H      H--C--C--C--C--H          

         |                    |    |               |     |    |                  |    |    |     |  
        H                       H   H                H    H  H                     H  H    H   H

METANO             ETANO             PROPANO                   BUTANO  

  Metano    

Se si osserva la molecola del Metano e se si tiene presente  la struttura atomica del Carbonio, si può comprendere come questo  elemento possa essere alla base delle innumerevoli e complesse mo­lecole della chimica organica.

Il Carbonio, infatti, ha 2 elettroni nella prima orbita e 4 nella seconda orbita. L'elemento, dunque, può completare l'orbita  esterna con  4 atomi di Idrogeno o con altri atomi di Carbonio e Idrogeno come nell'Etano, Propano, ecc.
La BENZINA usata per alimentare i motori a scoppio è una misce­la di idrocarburi a sette, otto e nove atomi di Carbonio.
L'OLIO LUBRIFICANTE è formato da idrocarburi liquidi che  hanno la molecola formata da un maggior numero di atomi di Carbonio.
La maggior parte di questi idrocarburi si ricava dalla  DISTIL­LAZIONE FRAZIONATA del petrolio grezzo. Il petrolio viene  riscal­dato  alla temperatura di circa 400 °C; si trasforma in vapore  che passa  attraverso una colonna a piatti. Dalle varie sezioni  della colonna si ricavano i seguenti prodotti: gas combustibili, benzine, cherosene, nafta, oli lubrificanti, paraffina e asfalto che rimango­no sul fondo della torre.

La composizione media del petrolio può essere:

1) nei petroli a base paraffinica: (USA Pensylvania)

35% paraffine, 45% nafteni, 15% idrocarburi aromatici, 5%  asfalteni

2) nei petroli a base naftenica: (Russia)

11% paraffine, 75% nafteni,10% idrocarburi aromatici, 4% asfalteni

CARATTERISTICHE DELLA SERIE PARAFFINICA,NAFTENICA E AROMATICA

La serie PARAFFINICA ha formula Cn H 2n+2 dove n indica il numero degli atomi di Carbonio e 2n+2 il corrispondente numero degli  a­tomi di Idrogeno.

Così se n=15 allora 2n+2=32

In queste molecole gli atomi di Carbonio sono legati fra loro con legami singoli a formare una catena aperta contornata da atomi di Idrogeno che perciò saranno il doppio di quelli di  Carbonio  più ancora due atomi d'Idrogeno necessari per chiudere  la catena all'inizio e alla fine:

          H  H  H  H  H  H  H  H                   H  H  H
           |    |    |    |    |    |    |    |                     |    |    |
   
H--C--C--C--C--C--C--C--C--...ecc...--C--C--C--H
          
|    |    |    |    |     |    |    |                    |    |    |
          H  H  H  H  H  H  H  H                   H  H  H

  La serie NAFTENICA o delle ciclo paraffine ha formula Cn H 2n

In essa se n=3 allora 2n=6. Come è facile comprendere la  formula è simile alla precedente : mancano soltanto i 2 atomi di Idrogeno che nella serie paraffinica aprono e chiudono la catena.

Per  questo motivo la molecola non può essere costituita  da  una catena  aperta perchè il primo e l'ultimo atomo di  Carbonio  non completerebbero l'orbita esterna con gli elettroni dei due atomi di Idrogeno mancanti:

                         H  H  H
                         
  |    |    |
                         -C--C--C-
                            |    |    |
                          H  H  H

Questa è una situazione di squilibrio per la molecola che pertan­to tenderà a ripiegarsi su se stessa in modo che il primo e l'ultimo  atomo  di Carbonio si aiutino l’un l’altro a completare l’orbita: 
la  molecola, quindi, ha una struttura chiusa ad  anello con gli atomi di Carbonio legati fra loro con legami singoli.

La molecola più semplice di questa serie: il CICLOPROPANO, per poter chiudere l'anello, deve avere almeno 3 atomi di Carbonio (con 2 l'anello  non si chiude: anche in geometria il poligono con minor numero di lati è il triangolo)
Esso ha 3 atomi di Carbonio  come nel Propano, ma chiusi ad anello,
la formula è C3 H6  :

                              H      H
                                 \    /
                                   \/
                                   C
                        H \       /\      /H
                              \   /    \  /
                               C  - -  C
                               /           \
                          H /               \ H

 I petroli russi sono principalmente idrocarburi naftenici.

La serie AROMATICA o gli idrocarburi aromatici hanno formula  generale

Cn H 2n-6 .

Se n=7 allora 2n-6=8

In  essa diminuisce il numero di atomi di Idrogeno  in  relazione con  quelli di Carbonio: ciò si può spiegare solo se si  immagina che :

      1) la catena degli atomi di Carbonio sia chiusa;
     
     
2) alcuni degli atomi di Carbonio siano legati da un doppio legame  che permetta di sostituire gli atomi di Idrogeno  mancati nel completamento dell'orbita esterna.

Alcuni idrocarburi aromatici sono:

                              BENZOLO o BENZENE     formula    C6 H6

                               TOLUOLO               formula    C7 H8

                          XILOLO                formula    C8 H8    eccetera.


                                       H
                                 |
                                C
                                / \\
                              /     \\
Benzene        H--C        C--H
                            ||          |
                           C        C
                          /    \     /   \
                        /        \  /      \
                     H          C        H
                                  
|
                                 
H

IDRATI DI CARBONIO
Questo nome deriva dal fatto che queste sostanze hanno la molecola formata da Carbonio, Idrogeno e Ossigeno in proporzione costante  e precisamente due atomi di Idrogeno ed uno di  Ossigeno  (la stessa proporzione che si ha nell'acqua : H2 O  ) per ogni  atomo di Carbonio.
Gli idrati di carbonio sono numerosissimi: i più importanti so­no prodotti dalle piante durante la fotosintesi clorofilliana (la parola fotosintesi significa sintesi in presenza di luce).

Gli idrati di carbonio sono importanti per la nostra  alimenta­zione: infatti ZUCCHERI ed AMIDI sono idrati di carbonio.

Molti  frutti  sono dolci perchè contengono  due  zuccheri,  il FRUTTOSIO e il GLUCOSIO . Lo zucchero che usiamo comunemente  per addolcire  le nostre vivande è il SACCAROSIO che si estrae  dalla barbabietola oppure dalla canna da zucchero.

Anche la CELLULOSA che forma le pareti delle cellule vegetali è un  idrato  di  carbonio.  Essa ci  fornisce  le  fibre  vegetali (LINO,COTONE,CANAPA,IUTA), costituisce  il LEGNO ed ha infine  ap­plicazioni in campo industriale  (RAYON, VISCOSA, CELLOPHANE, CELLU­LOIDE, derivano dal trattamento industriale della cellulosa).

 

PROTEINE
Sono sostanze quaternarie, perchè sono formate essenzialmente da quattro elementi: CARBONIO, OSSIGENO,IDROGENO,AZOTO.
Le proteine sono sostanze presenti in tutta la materia  vivente e specialmente nel nucleo delle cellule, sia vegetali che animali.

Le piante per mezzo delle radici ricavano dal suolo i sali  minerali  contenenti AZOTO (nitrati e sali ammoniacali). Da  queste SOSTANZE   INORGANICHE le piante sintetizzano   le   proteine vegetali, che  serviranno poi ad alimentare  gli animali, fornendo loro l'Azoto necessario per fabbricare le proteine animali.

L'uomo  ricava gli alimenti proteici tanto dai vegetali  quanto dagli animali. Cibi vegetali ricchi di proteine sono quelli  forniti dalle LEGUMINOSE come CECI, PISELLI, FAVE, FAGIOLI, SOIA, ecc.

La maggior parte del fabbisogno proteico dell'alimentazione  u­mana, però, viene fornito dalla carne degli animali (bue, pollo, co­niglio, pesce) e dai prodotti di origine animale  (uova, latte, for­maggio).

Le molecole delle proteine sono GIGANTESCHE : una sola di  esse può contenere fino a 600 atomi di Carbonio oltre naturalmente  ad Ossigeno, Idrogeno, Azoto e talvolta Zolfo.

Esempi di proteine sono : l'ALBUMINA, presente nell'albume  del­l'uovo, la CASEINA, presente nel latte. Per fabbricare il  formag­gio si deve separare la caseina dal siero che è la parte  liquida del latte.

 CICLO DEL CARBONIO

Il  Carbonio, quindi, è l'ELEMENTO BASE DEI COMPOSTI ORGANICI  e per questo anche degli ESSERI VIVENTI.
Il  Carbonio  arriva agli esseri viventi per la  massima  parte dalla trasformazione dell'anidride carbonica  dell'atmosfera  in sostanza organica (AMIDO) operata dalle piante verdi per  mezzo della fotosintesi clorofilliana.

La  TERRA dispone di grandi quantità di anidride carbonica:  la sola atmosfera ne contiene 2.100.000.000.000.000 di chilogrammi ;
l'acqua di mare ne ha in soluzione 7 volte tanto.

Le  piante verdi per compiere la funzione clorofilliana  ne  sottraggono all'atmosfera quantità così grandi che nel giro  di  22 anni consumerebbero completamente l'anidride carbonica a loro disposizione  ,  se  questa non venisse  continuamente  restituita all'aria. Affinchè l'equilibrio del Carbonio sia mantenuto in natura per permettere che la vita continui, si ha un ciclo chiuso di questa sostanza : l'anidride carbonica  atmosferica viene rimpiazzata da altra che man mano si libera per mezzo della RESPIRAZIONE di animali e piante, della DECOMPOSIZIONE e MINERALIZZAZIONE  dei corpi morti e dei loro residui,  delle  emissioni VULCANICHE e delle COMBUSTIONI.

Il MARE , inoltre, svolge una funzione stabilizzatrice dell'ani­dride carbonica dell'aria nel modo seguente: se la sua concentra­zione  nell'atmosfera  tende ad aumentare, il mare ne  assorbe  la  quantità eccedente . Se ,al contrario, la sua concentrazione  at­mosferica diminuisce, dal mare passa all'atmosfera anidride  car­bonica  gassosa.  Purtroppo i processi naturali si  svolgono  con lentezza e hanno bisogno di tempi lunghi per produrre i loro  ef­fetti. I processi artificiali originati dalle attività  umane, invece si svolgono in tempi molto brevi e sempre più brevi a  causa dei continui progressi tecnologici. Ciò sta causando uno squi­librio nel bilancio dell'anidride carbonica atmosferica che negli ultimi tempi si sta accrescendo a ritmi sempre più elevati e quasi incontrollabili con gravi danni sulle condizioni ambientali medie del  pianeta TERRA. Gli effetti più evidenti si rilevano  princi­palmente nel quasi certo manifestarsi dell'EFFETTO SERRA e  delle conseguenti imprevedibili variazioni climatiche.