Proprietà del carbonio: Una panoramica completa

Nel mondo degli elementi, il carbonio è unico e sorprendente. Dalle molecole organiche, base della vita, ai materiali chiave per l'industria, è ovunque. L'esplorazione delle proprietà del carbonio ci permette di comprendere l'intersezione tra natura e tecnologia, la composizione della materia e le reazioni chimiche.

Proprietà fisiche del carbonio

Panoramica degli allotropi

Il carbonio può formare una varietà di allotropi, come il diamante, la grafite, ecc. Sebbene siano composti da atomi di carbonio, la disposizione atomica e le modalità di connessione sono diverse. Le proprietà fisiche e chimiche sono significativamente diverse e il valore della ricerca applicativa è elevato nei settori dei materiali, dell'elettronica e di altri campi.

Caratteristiche del diamante

Il diamante è la sostanza più dura in natura, con una durezza Mohs pari a 10. I suoi atomi hanno una struttura tetraedrica, una forte forza di legame atomico, resistenza all'usura e alla pressione, utilizzata per il taglio e la perforazione. È incolore e trasparente, con una forte rifrazione, è una gemma. Alta conducibilità termica, si può usare per la dissipazione del calore elettronico, ma difficilmente è conduttivo.

Proprietà della grafite

La texture della grafite è morbida e liscia. Deriva dalla struttura a strati ed è facile scivolare tra gli strati. Spesso si può usare la grafite come lubrificante ad alta temperatura e ad alta pressione. Ha una buona conducibilità elettrica, con elettroni liberi nello strato. È possibile utilizzare la grafite nelle batterie agli ioni di litio. anodo materiali e motore spazzole per garantire la carica e la scarica e la trasmissione di corrente.

Altre caratteristiche dell'allotropo

I fullereni come il C60 sono ingabbiati, otticamente attivi, possono formare complessi con ioni metallici e hanno un potenziale nei dispositivi optoelettronici e nella catalisi. I nanotubi di carbonio hanno diametro nanometrico, elevata resistenza, buona conducibilità elettrica e termica. E possono essere utilizzati nel campo della nanoelettronica e dei materiali compositi. Il grafene è un materiale monostrato bidimensionale con eccellenti proprietà elettriche, meccaniche e termiche. E ha ampie prospettive nei dispositivi elettronici flessibili.

Sintesi delle proprietà fisiche generali

Aspetto

Il diamante è incolore e trasparente, brillante dopo la lucidatura, ed è un materiale gemmologico. Grafite grigio scuro con lucentezza metallica, scaglioso, liscio al tatto. I fullereni sono polvere nera o marrone, i nanotubi di carbonio sono tubi neri estremamente sottili. Il grafene è un foglio bidimensionale quasi trasparente con una caratteristica struttura rugosa.

Densità

Il diamante ha una densità di circa 3,5-3,53 g/cm3, con gli atomi strettamente impacchettati; la grafite ha una densità di circa 2,09-2,23 g/cm3, con uno spazio tra gli strati. I fullereni hanno una densità di circa 1,65 g/cm3, i nanotubi di carbonio di 1,3-1,4 g/cm3 e il grafene di circa 2,267 g/cm3, con densità che variano a seconda della disposizione atomica e della struttura.

Punto di fusione

Il punto di fusione del diamante supera i 3500°C, gli atomi formano tetraedri regolari con legami covalenti e la struttura è solida. Il punto di fusione della grafite è di circa 3652-3697°C e il legame covalente nello strato è stabile. L'elevato punto di fusione rende il carbonio stabile nell'ambiente ad alta temperatura e viene utilizzato nei settori industriali ad alta temperatura.

Punto di ebollizione

Il punto di ebollizione del diamante e della grafite è di circa 4827°C, in condizioni normali. Il carbonio è difficile da trasformare da solido a gas, e le temperature estremamente elevate ne modificano lo stato. Nell'ambiente industriale e di vita, le proprietà fisiche e chimiche del carbonio sono stabili, non è facile la decomposizione volatilizzata.

Solubilità

Il carbonio è insolubile in acqua, nei comuni solventi organici e nelle soluzioni acide e alcaline. Grazie alla sua struttura atomica stabile e alla forte forza interatomica, la molecola del solvente difficilmente riesce a rompere la struttura elementare del carbonio e la sua azione. La solubilità è estremamente bassa nella maggior parte dei solventi.

Conducibilità

La struttura a strati della grafite ha elettroni liberi, conduce bene l'elettricità e può essere utilizzata per gli elettrodi. Gli elettroni del diamante sono legati a legami covalenti e difficilmente conducono elettricità. I fullereni e i nanotubi di carbonio hanno una certa conducibilità elettrica, mentre il grafene ha un'elevata mobilità degli elettroni, un'eccellente conducibilità elettrica e un grande potenziale nel campo dell'elettronica.

Proprietà chimiche del carbonio

Stabilità

A temperatura ambiente, le proprietà chimiche della carbonizzazione sono stabili. I quattro elettroni nello strato più esterno del suo atomo non sono facili da guadagnare o perdere elettroni. Richiedono una grande energia per rompere la struttura stabile e partecipare alle reazioni chimiche. Pertanto, le reliquie culturali, i dipinti e le pitture contenenti carbonio possono essere conservati a lungo.

Infiammabilità

È infiammabile e brucia completamente per produrre anidride carbonica quando l'ossigeno è sufficiente, rilasciando molta energia termica. Il monossido di carbonio è prodotto da una combustione incompleta quando l'ossigeno è insufficiente e la reazione di combustione è un modo importante per ottenere energia.

Riducibilità

Ha una notevole riducibilità alle alte temperature. Può reagire con gli ossidi metallici, catturare l'ossigeno negli ossidi e ridurre il metallo. Può essere ampiamente utilizzato nell'estrazione dei metalli nell'industria metallurgica e svolge un ruolo fondamentale.

Reazioni con altre sostanze

In determinate condizioni reagisce con diverse sostanze. Ad alte temperature, reagisce con lo zolfo per produrre disolfuro di carbonio, reagisce con il vapore acqueo per produrre monossido di carbonio e idrogeno. I prodotti hanno importanti applicazioni nei settori della chimica e dei combustibili.

Quadrivalenza

I quattro elettroni più esterni di un atomo di carbonio sono allo stato quaternario. Può formare 4 legami covalenti con una varietà di atomi per costruire composti complessi e diversi, dalla semplice materia organica alle macromolecole biologiche. È la base del mondo organico e della materia vivente ed è di grande importanza.

Incatenamento

I suoi atomi possono essere collegati a catene attraverso legami covalenti, cioè concatenati. Può formare catene dritte, ramificate o ad anello; la lunghezza e la struttura della catena influenzano le proprietà dei composti. È alla base della formazione di molti composti organici, sostenendo l'enorme sistema della chimica organica.

Struttura elettronica

La configurazione degli elettroni di un atomo di carbonio è 1s22s22p2. Questa struttura determina il suo comportamento chimico e i quattro elettroni più esterni permettono di condividere facilmente gli elettroni con altri atomi per formare legami. Ma anche di guadagnare e perdere elettroni in determinate condizioni e di partecipare a varie reazioni chimiche.

Elettronegatività

Ha un'elettronegatività di circa 2,55 (sulla scala di Pauling), tra metalli e non metalli. In un composto, quando si lega con elementi diversi, il legame chimico ha una polarità diversa a causa della differenza di elettronegatività. Questo influisce sull'attività chimica e sulle proprietà fisiche del composto.

Collegamento tra proprietà e applicazione

Applicazioni determinate dalle proprietà fisiche

Le sue proprietà fisiche sono diverse, il che lo rende ricco di applicazioni. La durezza del diamante è chiamata la corona della natura e presenta vantaggi significativi nel campo del taglio e della rettifica. Ad esempio, nel taglio del vetro e nella lavorazione del carburo cementato. La grafite ha una buona conducibilità elettrica e può essere ampiamente utilizzata negli elettrodi delle batterie per garantire il ciclo di carica e scarica. Il grafene ha un'eccellente conducibilità elettrica e un'altissima flessibilità, che lo rendono un materiale ideale per schermi flessibili e dispositivi elettronici indossabili. L'elevata resistenza dei nanotubi di carbonio può migliorare le prestazioni dei materiali compositi. Inoltre, può essere utilizzato in campi come quello aerospaziale, dove la resistenza dei materiali è molto esigente.

Applicazioni determinate dalle proprietà chimiche

Le sue proprietà chimiche ne dominano l'applicazione in una serie di settori chiave. L'infiammabilità fa sì che il carbone e il gas naturale diventino importanti fonti di energia. Bruciando rilasciano molta energia termica per soddisfare il fabbisogno energetico della produzione industriale e della vita quotidiana. La riducibilità gli consente di svolgere un ruolo chiave nell'industria metallurgica, riducendo i metalli dai loro ossidi. La quadrivalenza e la capacità di catena di atomi di carbonio sono la base per la costruzione di composti organici. La sintesi di farmaci, materie plastiche, gomma, ecc. si basa su questo, fornendo una ricca varietà di prodotti per la società moderna.

Conclusione

Il carbonio svolge un ruolo importante in natura e nella società umana grazie alle sue proprietà uniche. Le sue proprietà allotropiche determinano un'ampia gamma di applicazioni e le sue proprietà chimiche supportano la vita e l'industria. In futuro, la sua ricerca si approfondirà e continuerà a contribuire alla soluzione di problemi come quello dell'energia.