Dieci fatti sul carbonio, la base della chimica della vita

Il carbonio è un elemento essenziale per la vita, in quanto è il principale costituente di tutti i composti organici. Può essere in forma elementare, formando carbonio o diamanti, e può formare composti inorganici, come l’anidride carbonica (CO ₂ ), molecola fondamentale nei processi di captazione dell’energia solare da parte delle piante e nei processi di rilascio di energia per combustione. Carbone attivo, fibre di carbonio, nanotubi e grafene sono alcuni dei composti e dei materiali che hanno come componente fondamentale l’atomo di carbonio.

L’atomo di carbonio ha 6 protoni nel suo nucleo e 6 elettroni nel suo ambiente, quindi il suo numero atomico è 6. L’isotopo più abbondante in natura è quello che ha anche 6 neutroni nel suo nucleo, 12C, e dal 1961 Questo isotopo è usato per misurare la massa atomica di tutti gli elementi, prendendo come unità la dodicesima parte della massa di ¹² C. Il 98,89% degli atomi di carbonio in natura sono ¹² C, ma esiste anche l’isotopo che ha un neutrone in più nel nucleo, ¹³ C, che completa la composizione naturale con l’1,1%. Un altro importante isotopo del carbonio è ^{il 14C} , un isotopo radioattivo che decade con un tempo di dimezzamento di 5730 anni. il ¹⁴Il C viene prodotto nell’atmosfera come conseguenza dell’interazione dell’azoto con i raggi cosmici, e dalla sua produzione viene integrato in processi e prodotti organici, trasformandolo così in un orologio naturale che permette la datazione di tessuti e materiali che contengono carbonio in un intervallo che va dai 1000 ai 50000 anni.

Ecco dieci fatti sul carbonio.

• Il carbonio è un elemento non metallico che può unirsi a se stesso e formare un’immensa varietà di composti chimici, un numero stimato di oltre dieci milioni.

• Come tutti gli elementi, il carbonio è stato prodotto nelle stelle attraverso reazioni di fusione nucleare. Nelle prime fasi del loro sviluppo, le stelle producono energia mediante reazioni di fusione di atomi di idrogeno che producono elio, come nel caso del Sole. Quando la maggior parte dell’idrogeno è stata convertita in elio, l’energia prodotta nella reazione non può bilanciare la forza gravitazionale forza e la stella si compatta al centro, mentre il suo settore esterno si espande. Quando il processo termina, la temperatura del nucleo raggiunge temperature dell’ordine di 100 milioni di Kelvin e avviene una reazione detta tripla alfa, in cui tre nuclei di elio generano un atomo di carbonio. Processi successivi possono generare altri elementi o disperdere gli elementi prodotti,

• Il carbonio è il quarto elemento più abbondante nell’universo, dopo idrogeno, elio e ossigeno, ed è il quindicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre.

• Il carbonio elementare può assumere la forma di uno dei materiali più duri e costosi esistenti, il diamante, o formarne uno morbido ed economico, la grafite. Diamante e grafite sono due allotropi del carbonio, ma nel diamante gli atomi sono disposti in una struttura cristallina cubica che si forma in condizioni estreme di pressione e temperatura, mentre nella grafite i legami covalenti formano strutture cristalline esagonali ordinate in piani sovrapposti.

• Nel vuoto o in un’atmosfera priva di ossigeno, il diamante si trasforma in grafite a 1.700 gradi Celsius. In aria la trasformazione inizia intorno ai 700 gradi Celsius. Il punto di fusione della grafite è di 3600 gradi Celsius.

• Gli allotropi del carbonio hanno una varietà di usi. Il diamante è una pietra preziosa che ha anche applicazioni industriali data la sua estrema durezza. La grafite viene utilizzata mescolata con una pasta nella mina delle matite. Viene utilizzato anche come lubrificante solido e come elemento protettivo contro l’ossidazione. La grafite può essere un componente di mattoni refrattari e crogioli. Varie parti ingegneristiche, come pistoni, guarnizioni dei cilindri, rondelle o cuscinetti, sono realizzate in grafite. Per la sua buona conduttività elettrica e la sua resistenza agli attacchi chimici, viene utilizzato per realizzare elettrodi e in altre applicazioni elettriche, come carboncini e spazzole di motori elettrici. Grazie alla sua capacità di moderazione dei neutroni e al suo basso assorbimento di neutroni,

• Il carbonio è l’elemento base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio. Tutte le molecole organiche contengono carbonio. I più semplici formano legami diversi tra loro e si combinano solo con atomi di idrogeno, mentre i più complessi comprendono atomi di ossigeno, azoto, fosforo o zolfo, raggiungendo i massimi livelli di complessità nelle molecole di RNA (acido ribonucleico) e di DNA (acido desossiribonucleico). Il gran numero di composti organici è dovuto al fatto che l’atomo di carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio di valenza, quindi ne servono altri quattro per formare uno stato stabile secondo la regola dell’ottetto. In questo modo ha a disposizione quattro legami da combinare mediante legami covalenti con altri elementi o con altri atomi della stessa specie.

• I polimeri fanno parte della nostra vita quotidiana in molti modi diversi. I polimeri naturali, cioè i biopolimeri, come gran parte dei polimeri artificiali, sono composti del carbonio. I biopolimeri sono componenti fondamentali della vita. I lipidi sono biopolimeri, trigliceridi i cui monomeriSono glicerolo e acidi grassi. E le proteine ​​sono polipeptidi i cui monomeri sono amminoacidi. Un altro esempio sono gli acidi nucleici. DNA e RNA, i cui monomeri sono nucleotidi che a loro volta sono costituiti da basi azotate, ribosio, che è uno zucchero (un monosaccaride chiamato pentoso), e un gruppo fosfato. Anche i carboidrati sono biopolimeri. I polisaccaridi, come la cellulosa e l’amido, ei disaccaridi, come il saccarosio (lo zucchero comune) e il lattosio, sono polimeri i cui monomeri sono monosaccaridi, zuccheri semplici, il monosaccaride più comune è il glucosio. Il biopolimero più abbondante è la cellulosa, che costituisce la maggior parte della biomassa terrestre poiché è un costituente della parete cellulare della maggior parte delle piante. Si trova nella sua forma più pura nel cotone ed è il componente principale della carta e di molti altri prodotti che usiamo quotidianamente. Tra i polimeri artificiali, quello che prevede il processo di formazione più semplice è il polietilene, una plastica molto diffusa e utilizzata. Il monomero del polietilene è l’etilene, una semplice molecola organica che ha due atomi di carbonio legati da un doppio legame insieme a due atomi di idrogeno attaccati a ciascun atomo di carbonio. In caso di rottura del doppio legame, ciascuno degli atomi di carbonio ha a disposizione un legame covalente per unire altri atomi, costituendo l’unità strutturale che formerà il polimero. L’unione ripetuta di questa unità strutturale genera una lunga molecola lineare, senza ramificazioni, che è il polietilene.

• Uno dei materiali più resistenti che si possono realizzare è la fibra di carbonio. Chiamata anche fibra di grafite, la fibra di carbonio è una fibra sintetica composta da filamenti molto fini, da 5 a 10 micron di diametro, di un polimero il cui elemento principale è il carbonio. Tessendo e lavorando migliaia di questi sottili filamenti si ottiene una fibra di carbonio. Questi filamenti hanno un’elevata resistenza alla trazione, quindi sono estremamente resistenti dato il loro spessore. Il nanotubo di carbonio è considerato il materiale più resistente che si possa realizzare, e generalmente si ritiene che le fibre di carbonio abbiano proprietà simili all’acciaio, essendo molto più leggere e con una densità simile al legno o alla plastica. Esistono molteplici applicazioni delle fibre di carbonio. Nella costruzione,

• Il ciclo del carbonio è una sequenza di eventi essenziali per la vita sulla Terra. I processi del ciclo del carbonio sono raggruppati in processi nell’atmosfera, processi nella biosfera terrestre, processi negli oceani, nei sedimenti, inclusi combustibili fossili e sistemi di acqua dolce, e processi all’interno della Terra. Nell’atmosfera il carbonio si trova principalmente sotto forma di anidride carbonica e metano. L’anidride carbonica viene estratta dall’atmosfera nelle biosfere terrestri e marine attraverso la fotosintesi e si dissolve anche nei corpi idrici per formare acido carbonico. Il carbonio nella biosfera terrestre include il carbonio organico proveniente da tutti gli organismi viventi e morti, così come il carbonio immagazzinato nel suolo. La maggior parte del carbonio nella biosfera terrestre è organico, mentre un terzo è in forme inorganiche, come il carbonato di calcio. Il carbonio sfugge alla biosfera terrestre attraverso la combustione e la respirazione, sebbene possa anche essere esportato nei sistemi marini attraverso i fiumi o trattenuto nei suoli come carbonio inerte. I sistemi marini contengono la maggior quantità di carbonio associata al loro ciclo biogeochimico. Il modo principale in cui il carbonio entra nei sistemi marini è dissolvendo l’anidride carbonica atmosferica, che viene poi convertita in carbonio organico attraverso la fotosintesi effettuata dagli organismi marini. o trattenuto nei suoli come carbonio inerte. I sistemi marini contengono la maggior quantità di carbonio associata al loro ciclo biogeochimico. Il modo principale in cui il carbonio entra nei sistemi marini è dissolvendo l’anidride carbonica atmosferica, che viene poi convertita in carbonio organico attraverso la fotosintesi effettuata dagli organismi marini. o trattenuto nei suoli come carbonio inerte. I sistemi marini contengono la maggior quantità di carbonio associata al loro ciclo biogeochimico. Il modo principale in cui il carbonio entra nei sistemi marini è dissolvendo l’anidride carbonica atmosferica, che viene poi convertita in carbonio organico attraverso la fotosintesi effettuata dagli organismi marini.

Fonti

Anna Deming. Re degli elementi? Nanotecnologia n. 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Dinamiche biogeochimiche oceaniche. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Carbonio. L’elemento dalle molteplici personalità. Rivista How do you see?, Università Nazionale Autonoma del Messico, 2019.

RJ Young, PA Lovell Introduzione ai polimeri. Terza edizione. Boca Raton, LA: CRC Press, Gruppo Taylor & Francis, 2011.