Elementi del IV gruppo
Elemento configurazione raggio (Å) p.f. (°C) p.e. (°C)
C [He]2s22p2 0.77 >3550 4827
Si [Ne]3s23p2 1.17 1410 2355
Ge [Ar]4s24p2 1.22 937 2830
Sn [Kr]5s25p2 1.40 232 2260
Pb [Xe]6s26p2 1.44 328 1744
Elementi del IV gruppo
Tabella delle energie di legame degli elementi del IV gruppo
Carbonio
12C 98,9% BASE PER LA MISURA DEL P.A.
13C 1,1% VIENE ESPULSO DURANTE LA FOTOSINTESI
14C tracce
RADIOISOTOPO CON TEMPO DI DECADIMENTO DI 5715
ANNI,USATO PER LA DATAZIONE DEL LEGNO E SITI
ARCHEOLOGICI
Proprietà chimiche
Numero Atomico 6
Massa Atomica 12,011
Stati di Ossidazione( -2, -4, +2, +4
Configurazione Elettronica [He] 2s22p2
Energia di prima ionizzazione
(kJ / mol) 1 086,45 kJ/mol
Elettronegatività
(Scala di Pauling) 2.55
Struttura cristallina Cubica come il diamamnte
Carbonio elementare (Diamante)
In un diamante, ciascun atomo di carbonio si trova legato covalentemente ad altri quattro atomi di carbonio mediante legami o con ibridazione sp3 . La rigidità spiega la durezza e la natura del
legame l’alto punto di fusione.
Il diamante è uno dei migliori conduttori del calore ed è utilizzato come supporto per alcuni circuiti integrati al fine di evitare il loro surriscaldamento.
La struttura molecolare del diamante permette la rapida trasmissione delle vibrazioni degli atomi presenti in un punto riscaldato agli altri punti del cristallo a temperatura inferiore.
Si forma all’interno della terra ad elevate
pressioni ed portato nei sedimenti dei fiumi dalle eruzioni vulcaniche
5
Cella elementare del diamante
d C-C = 154 pm
d (diamante) = 3.52 g/cm 3
(sistema cubico)
6
Struttura della grafite
(sistema esagonale)
340 pm
d (grafite) = 2.25 g/cm 3
d C-C = 142 pm
.
Carbonio elementare (grafite)
La grafite è prodotta in natura come risultato di
trasformazioni a carico di antichi sedimenti organici o di carbonati.
La maggior parte della grafite reperibile in commercio viene prodotta industrialmente riscaldando il carbone coke a temperature elevate in una fornace elettrica per alcuni giorni.
La grafite è un materiale nero, lucente, con proprietà lubrificanti, capace di condurre l’elettricità, che
sublima a 3700°C.
Il solido è costituito da strati di atomi di carbonio legati a formare anelli esagonali, in cui ciascun atomo di carbonio ibridato sp2 lega altri tre atomi di carbonio. Anche tra uno strato e l’altro esistono legami covalenti, tuttavia questi legami sono
lunghi e deboli,
C 60
I fullereni sono strutturalmente simili alla grafite, la quale si costituisce di anelli esagonali collegati tra loro su un piano, ma si differenziano per alcuni anelli di forma
pentagonale (o a volte eptagonale) che impediscono una struttura planare
Carbonio elementare (fullerene)
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Grafene e Nanotubi
Grafene
Il grafene è costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore
equivalente alle dimensioni di un solo atomo).
Il corpo di un nanotubo è formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i
fullereni
Nanotubo
La grafite è in uso nell'industria metallurgica ed elettrotecnica, nei reattori nucleari, come lubrificante e per la fabbricazione di matite
Il carbone attivo è costituito da granuli di carbonio microcristallino ottenuti per riscaldamento di materia organica assenza di aria e da un successivo trattamento volto ad ottenere l’aumento della loro porosità. L’enorme superficie di queste particelle (circa 2000 m
2/g) le rende in grado di assorbire impurità presenti in molti liquidi e gas.
Usi ed applicazioni del Carbonio
Il nanotubo a singola parete è un materiale
molto resistente alla trazione. può essere o un conduttore di corrente, come un metallo, o un semiconduttore, come il silicio presente nei
microchip,proprietà elettriche:
I possibili utilizzi sono: transistor, LED, Laser a ultravioletti, attuatori ecc.
Simili applicazioni si prevedono anche per il grafene
Usi ed applicazioni dei nanotubi di carbonio
Tossicità del grafene
In un lavoro della Brown university è stato dimostrato che potenzialmente le strutture di grafene possono penetrare nelle cellule
Graphene microsheets enter cells through spontaneous membrane penetration at edge asperities and corner sites PNAS | July 23, 2013 vol. 110 (30 ) 12295–12300.
Fibre di Carbonio
Le fibre di carbonio hanno proprietà molto simili all‘asbesto, ma al contrario di quest'ultimo il loro utilizzo non comporta rischi per la salute.
Ogni intreccio di filamenti di carbonio costituisce un insieme formato dall'unione di molte migliaia di filamenti.
Ciascun singolo filamento ha un diametro di 5-8 μm e consiste quasi esclusivamente di carbonio almeno il 92%.. Si ottiene dalla polimerizzazione e carbonizzazione dell’acrilonitrile
La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, consistendo in aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo simmetria esagonale regolare. La differenza consiste nel modo in cui questi fogli sono interconnessi.
Le fibre di carbonio presentano un'elevata inerzia chimica nei confronti di moltissime soluzioni acquose.
La densità tipica della fibra di carbonio è 1750 kg/m3. La resistenza meccanica dei differenti tipi di filato varia tra 2-7 GPa.
ACIDO CARBONICO E CARBONATI
La CO2 è l’ossido dell’acido carbonico H2CO3
CO2 (aq) + H2O H2CO3 (aq) L’ acido carbonico è un acido poliprotico
H2CO3 (aq) + H2O HCO3 – (aq) + H3O+ (aq) Ka = 1,3 x 10-7 HCO3-(aq) + H2O CO32-(aq) + H3O+ (aq)
L’ NaHCO3 era utilizzato in passato come antiulcera e risulta essere anche un ottimo sbiancante dello smalto dei denti
I FENOMENI CARSICI
Dal punto di vista chimico il processo consiste nella
trasformazione subita dal carbonato di calcio (CaCO3) ad opera dell’acqua piovana ricca in CO2
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca ( HCO3)2
# Il Carbonato di calcio contenuto nelle rocce calcaree, è
insolubile in acqua, ma per reazione con l’acqua meteorica da il bicarbonato che essendo più solubile viene trascinato via
ROCCE DOLOMITICHE
La dolomite è un carbonato doppio di calcio e magnesio, con formula MgCO3.CaCO3
I fenomeni carsici, possono anche interessare le rocce dolomitiche e quelle gessose.
Ossidi del Carbonio
I due più importanti ossidi ( anidridi ) del carbonio sono :
2 C + O2
2 CO il monossido di carbonioC + O2 CO2 l biossido di carbonio
Per una generica reazione di combustione :
C
mH
n+ ( m + n/4) O
2m CO
2+ n/2 H
2O
Si ha la formazione del CO quando combustibili contenenti carbonio ( benzina,carbone) sono bruciati in difetto d’aria
Monossido di carbonio
Gas molto tossico è inodore ed incolore.
La tossicità di questa molecola è dovuta al fatto che essa è in grado di legarsi ai globuli rossi.
Un ‘esposizione prolungata a questo gas produce nell’uomo perdita di coscienza, palpitazioni, insufficienza respiratoria, convulsioni e nei casi più gravi la morte
Monossido di carbonio
Il monoossido di carbonio lega il ferro dell’emoglobina.
Il complesso è 200 volte più forte di quello formato con l’ossigeno
Rimedi: Respirazione di ossigeno puro, Camera iperbarica.
Biossido di carbonio
La CO2 è un gas inodore, incolore ma non tossico
Industrialmente si prepara per decomposizione a 900° C del carbonato di calcio ( CaCO3) secondo la reazione :
CaCO3 CaO + CO2
La CO2 è di vitale importanza per le piante che la trasformano in zuccheri, mediante Fotosintesi Clorofilliana
La Fotosintesi avviene in
organelli specifici della cellula vegetale, i Cloroplasti
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 (zucchero) + 6 O2 luce
Cianuro
2 CH4 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 HCN + 6 H2O Processo Andrussow
Catalizzata da Pt
Usi:
Minerari :
4 Au + 8 NaCN + O2 + 2 H2O → 4 Na[Au(CN)2] + 4 NaOH Ag2S + 4 NaCN + H2O → 2 Na[Ag(CN)2] + NaSH + NaOH
https://www.youtube.com/watch?v=oNlbb0zvLAs
Cianuro
Usi:
Adiponitrile:
NC(CH2)4CN + 4 H2 → H2N(CH2)6NH2 Diamminoesano
Nylon 66
Cianuro
Citocromo-c ossidasi
ferrosocitocromo c + O2 + 4 H+ → 4 ferricocitocromo c + 2 H2O.
Lega la citocromo c ossidasi bloccando la reazione di ossido-rduzione
Ossidazione del Cianuro
Il cianuro viene ossidato con l’ossigeno
+ 4H2O + 2CN- + O2 → 2CO2 + 2 NH3 + 2OH-
In alternativa con il cloro o l’ipoclorito di sodio in quanto forti ossidanti ed ossidano anche l’azoto
8OH- + 2CN- + 5Cl2 → 2CO2 + N2 + 10Cl- + 4H2O H2O + 2CN- + 5ClO- → 2CO2 + N2 + 5Cl-+2OH-
IDROCARBURI
E’ una classe di sostanze composte esclusivamente da carbonio ed idrogeno L’ idrocarburo più semplice è il Metano CH4,dove un atomo di carbonio lega 4 atomi di idrogeno mediante legami semplici covalenti
metano è un gas serra 22 volte più potente della CO2.
Origine del metano
Origine metano
Sorgenti di metano
Ciclo del carbonio geochimico
Ciclo del carbonio
Ciclo del carbonio
CO2atmosferica
Solubilizzazione e processi chimici
C inorganico solubile prevalentemente HCO3-
C fissato (CH2O) e C xenobiotico
C inorganico insolubile prevalentemente CaCO3 e CaCO3*MgCO3
C organico fissato:
idrocarburi, CxH2x ..
Precipitazione chimica e incorporazione del carbonio minerale nelle conchiglie Biodegradazione
Fotosintesi
Dissoluzione come CO2disciolta
Xenobioti prodotti da materie prime di
origine petrolifera Processi biogeochimici
Ciclo del carbonio
il carbonio viene trasferito in sistemi biologici e infine nella geosfera e nell'antroposfera in forma di carbon fossile e di combustibile fossile:
attraverso l'energia solare
il carbonio organico o biologico, {CH2O}, è contenuto in molecole ricche di energia, che possono reagire con molecole di ossigeno, O
2, per riformare il biossido di carbonio e produrre energia:
in un organismo ciò può avvenire biochimicamente attraverso la respirazione aerobica,
oppure può avvenire attraverso una combustione, come quando viene
bruciato del carbone o del combustibile fossile.
Ciclo del carbonio
Nel ciclo del carbonio sono fortemente coinvolti
microrganismi mediatori in cruciali reazioni biochimiche….
Le alghe fotosintetiche fissano il carbonio predominante in acqua:
quando esse consumano CO
2il pH dell'acqua sale, favorendo la precipitazione di CaCO
3e di CaCO
3*MgCO
3.
Il carbonio organico fissato dai microrganismi:
viene trasformato da processi biogeochimici in petrolio fossile, kerogene,
carbone e lignite.
Ciclo del carbonio
Nel ciclo del carbonio sono fortemente coinvolti microrganismi mediatori in cruciali reazioni
biochimiche……
Il carbonio organico delle biomasse, del petrolio e delle sorgenti xenobiotiche
viene degradato da microrganismi e riportato in atmosfera come CO
2.
Gli idrocarburi come quelli contenuti nel petrolio grezzo, e alcuni idrocarburi ottenuti per sintesi:
vengono degradati da microrganismi.
