Istituto D’Istruzione Superiore “N.Miraglia”
Liceo Classico “N.Carlomagno
Lauria (PZ)
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L’ ATOMO DI CARBONIO
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Il nostro è un viaggio affascinante e parte da molto lontano.
In una stella, attraverso un processo di fusione nucleare, grazie all’elevata
contrazione gravitazionale e all’altissima temperatura (superiore a 100 milioni di
kelvin), 3 atomi di elio si trasformano in un atomo di carbonio ( processo 3α).
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He  24He48Be
Be  24He 126C    7.367 MeV
La stella esplode e gran parte della materia stellare è proiettata nello spazio a
elevatissima velocità. Gli atomi di carbonio sono catturati da una nebulosa
rotante in contrazione che si condensa nel Sole e nei pianeti; poi sono inglobati
dal pianeta Terra.
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Ha inizio un viaggio straordinario che ripercorre gli stessi luoghi dell’universo
dantesco.
Il viaggio del carbonio sembra seguire le cantiche de “La Divina Commedia”.
Ma se è vero che per il Sommo Poeta il peregrinare nell’oltremondo è costituito
dal progressivo avvicinamento alla luce, per il nostro atomo di carbonio il
discorso è diverso: dalla luce delle stelle al fullerene. Tuttavia, come per
l’umanità di Dante,
anche quello del carbonio è un lento cammino
dall’immobilità del diamante alla sua massima espressione, dalla prigionia
della struttura cristallina al compimento estremo della sua stessa natura.
Il carbonio è l’elemento della vita; esso svolge un ruolo fondamentale in
qualunque molecola organica. Ma è nostro intento occuparci della sua natura
inorganica e delle forme allotropiche; le stesse che incontreremo, in momenti
diversi, nel nostro piccolo-grande viaggio.
Il carbonio rivive l’esperienza del Sommo Poeta e raggiunge l’Inferno, il
Purgatorio e il Paradiso.
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Nell’ Inferno l’atmosfera è cupa e dura, la pressione e la temperatura sono alte:
l’atomo qui diventa diamante, immobile e lucente; i suoi orbitali atomici subiscono
un’ibridizzazione sp3 e assumono una struttura tetraedrica combinandosi con altri
4 atomi di carbonio.
È duro allo stesso modo dei peccatori incontrati da Dante ed ugualmente è passivo
ed inattivo.
La durezza (nella scala di Mohs è pari a 10) è dovuta alla presenza di legami
covalenti estesi a tutta la struttura e orientati ai vertici di un tetraedro (angolo di
legame 109,5°), che lo collegano a qualunque coppia di atomi adiacenti.
Il diamante è trasparente, ha elevata conducibilità termica con punto di fusione a
3820 K.
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Dall’Inferno al Purgatorio. Solo due dei tre orbitali p degli atomi di carbonio si
mescolano con un orbitale s ( ibridizzazione sp2 ). I tre orbitali ibridi che si
ottengono sono diretti verso i vertici di un triangolo equilatero e formano un
angolo di 120°. I tre orbitali danno luogo a tre legami covalenti di tipo sigma
(). In questo tipo d’ibridazione il carbonio dispone ancora di un orbitale di tipo
p in cui si muove un elettrone. La sovrapposizione di tale orbitale, disposto
perpendicolarmente ai tre legami , con un altro atomo di carbonio dà luogo
alla formazione di un legame covalente (). Il sistema cristallino ora è
esagonale, il carbonio è divenuto grafite di colore grigio scuro. Nella grafite gli
orbitali che danno luogo ai legame () sono paralleli tra loro e perpendicolari al
piano della grafite. Essi creano un mare di elettroni- sopra e sotto il piano.
Lo stesso piano più che mai dinamico è riconducibile ugualmente alle anime in
pena del Purgatorio; queste sono legate ma disposte al cambiamento. Il
Purgatorio è coralità, le anime sono inclini al movimento e non più immobili.
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Ma la grafite allo stesso tempo è anche la fase stabile del carbonio in
condizioni superficiali; inoltre è una delle sostanze più soffici (1-2 nella scala
Mohs)
Il minerale si presenta in masse compatte, fogliacee, granulose, in aggregati
sferici o riempimenti terrosi. Ha un’ alta temperatura di fusione (3500°C) la
sua temperatura di ebollizione è di 4832°C. La grafite è insolubile negli acidi;
reagisce solo con l'HNO3 bollente. L'impiego industriale di tale minerale
interessa molteplici settori. I prodotti sono materiali refrattari, lubrificanti,
ma anche l'indurimento dell'acciaio e la realizzazione di matite
Un equivalente artificiale della grafite può essere ottenuto riscaldando, ad
elevatissima temperatura, l’antracite in appositi forni elettrici.
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Il carbonio è giunto in Paradiso. Come Dante ha attraversato il mondo dei
peccatori e di coloro che sperano nella salvezza; ora, a contatto con la luce, si
prepara a realizzarsi nel compimento più estremo, perfetto e immortale della
sua potenzialità. Il risultato è emblematico e sorprendente.
Gli atomi di carbonio, si evolvono in un esempio di superordine, il fullerene,
assumendo la forma di cupola geodetica. Il fullerene C60 è costituito da 12
pentagoni e 20 esagoni; ciascun pentagono è circondato da cinque esagoni. Il
fullerene rappresenta la molecola più simmetrica nello spazio euclideo
tridimensionale, nonché “la più rotonda”.
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Fino al tardo ventesimo secolo, la grafite ed il diamante erano gli unici
allotropi conosciuti del carbonio. Poi, negli esperimenti con fasci molecolari,
si osservarono molecole con massa corrispondente a quella di 60, 70 o anche
oltre, atomi di carbonio.
Harold Kroto, dall'University of Sussex James Heath, Sean O'Brien, Robert
Curl e Richard Smalley, dalla Rice University, scoprirono il C60 e gli altri
fullereni nel 1985. Kroto, Curl e Smalley hanno ricevuto il premio Nobel per
la chimica nel 1996, per il loro ruolo nella scoperta di questi composti. Il C60
fu successivamente notato in ambienti fuori dai laboratori (ad esempio nella
classica fuliggine della candela).
Si tratta di molecole che prendono una forma simile a quella di una sfera
vuota, di un'ellissoide o di un tubolare. Per questo motivo il nome originario
della molecola era “soccerene”, da soccer, vista la somiglianza della sua
struttura con quella di un pallone da calcio. Gli atomi di carbonio si
dispongono infatti ai vertici di un particolare poliedro semiregolare:
l'icosaedro troncato. Il fullerene è strutturalmente simile alla grafite, ma si
differenzia per alcuni anelli di forma pentagonale (o a volte ottagonale) che
impediscono una struttura planare.
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Nella struttura del C60 ogni vertice dell’icosaedro troncato è occupato da un
atomo di carbonio ed ogni atomo è legato ad altri tre, grazie ad un doppio
legame covalente e a due legami singoli.
Nel fullerene il carbonio ibridato sp2 è caratterizzato da un doppio legame,
uno sigma ed uno pi greco. Nella struttura del C60 , non planare, l’angolo tra
il legame  e l’asse che contiene l’orbitale (legame ) è di 101.6°.
Il cluster C60 ha una notevole stabilità: ha la forma di una gabbia ‘sferica’
cava, di diametro 7.1 Å,
Il nome "fullerene", coniato per la molecola, deriva dalle cupole geodesiche di
forma simile disegnate in precedenza dal famoso architetto americano
Buckminster Fuller. Più completamente, il nome assegnato alla molecola C60
è buckminsterfullerene.
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La mente umana subisce immediatamente il fascino di tale molecola. Sono
numerosi gli studiosi che, con crescente interesse, sono intenti a scoprire, di volta
in volta qualche aspetto celato della molecola.
E così un gruppo di ricercatori, guidato dall’ingegnere ambientale Joseph Hughes
del Georgia Institute of Technology, scopre che i nano-C60 si dissolvono
facilmente nell’acqua sotto forma di aggregati con un diametro compreso fra i 25 e
i 500 nanometri.
Tali ricercatori espongono il nano-C60 anche a due tipi comuni di batteri del
suolo. Arrivano alla conclusione che a piccole concentrazioni delle particelle (0,5
parti per milione) viene inibita la respirazione e la crescita dei batteri.
Le proprietà antibatteriche degli aggregati di C60 sollevano numerose e
interessanti questioni. Gli studiosi tuttora ritengono che sia possibile sfruttare tali
proprietà. Tuttavia saranno necessarie ulteriori ricerche per verificare i possibili
effetti negativi di questi materiali sulla salute degli ecosistemi.
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Il fullerene può essere usato per immagini mediche e per la cura del cancro. Gli
anticorpi, legati alla buckyball, possono trasportare gli atomi radioattivi fino alle
cellule tumorali da trattare. Per le immagini mediche, al paziente verrà immessa
una dosa minore di traccianti radioattivi, in quanto, se contenuti all’interno della
gabbia di fullerene, si previene che possano interagire con il corpo, in particolare
con il sistema immunitario.
I fullereni possono essere utilizzati come inibitori dei siti attivi delle proteasi (utili
ai virus per la loro proliferazione, incoraggianti risultati sono stati ottenuti in
soluzione acquosa di HIV)
Le memorie flash, dispositivi onnipresenti nei telefoni cellulari, nelle fotocamere
digitali così come in molte alte applicazioni nell’elettronica di consumo, potrebbero
guadagnare notevolmente in efficienza grazie all’integrazione dei fullereni.
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Le attuali tendenze di ricerca sui fullereni includono lo studio di nanotubi di
carbonio (tubi vuoti di grafite), fullereni endoedrici (atomi singoli intrappolati in
gabbie di fullerene), fulleriti (sistemi di fullereni drogati allo stato solido)
Il drogaggio con piccole quantità di metalli alcalini (A), dà composti come ad
esempio A3C60, i quali sono dei conduttori metallici. Questo drastico cambiamento
nella conducibilità è dovuto al trasferimento di elettroni di valenza dai localizzati
atomi alcalini all'intero solido. Ma c'è di più. Alle basse temperature (20-40 K), la
maggior parte dei fulleriti drogati diventano superconduttori (non mostrano
alcuna resistenza al passaggio della corrente elettrica).
I nanotubi possono essere considerati come costituiti da uno strato di grafite
avvolto su sè stesso.
È possibile ottenere nanotubi a singola parete o multipla nei quali la distanza fra i
vari strati è identica a quella riscontrabile tra i piani di grafite
La struttura, dopo un successivo rilassamento, tende ad arrotolarsi su sé stessa,
ottenendo la tipica struttura cilindrica: questi sono i nanotubi di carbonio. I
nanotubi possono essere visti analogamente al fullerene come una delle forme
allotropiche del carbonio.
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Il corpo del nanotubo è formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura
sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i fullereni. Per questa
ragione i nanotubi possono essere considerati come una specie di fullereni
giganti. Proprio per questa conformazione di esagoni e pentagoni, i nanotubi
presentano spesso dei difetti strutturali o delle imperfezioni che deformano il
cilindro. Il diametro di un nanotubo è compreso tra un minimo di 0,7nm e un
massimo di 10nm. L’elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro consente di
considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali, e
conferisce a queste molecole delle proprietà veramente peculiari.
Il primo a scoprire un nanotubo è nel 1991 il giapponese Sumio Iijima,
ricercatore della NEC Corporation, la nota industria elettronica nipponica.
I nanotubi hanno un diametro 50mila volte inferiore a quello di un capello, con le
pareti costituite da un foglio di grafite monostrato avvolto su se stesso una o più
volte. Con il carbonio, e ora anche con altri elementi, i ricercatori riescono a
costruire dei nanotubi, che a parità di sezione sono sei volte più rigidi dell’acciaio
e 100 volte più resistenti alla rottura. I nanotubi oggi promettono applicazioni
nella realizzazione dei materiali più vari, nell’elettronica, nella biologia.
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Estremamente resistenti, leggeri, conduttori, capaci di interagire sia con la materia
vivente che con le onde elettromagnetiche: le straordinarie capacità ipotizzate per
questi materiali sono oggi oggetto di verifica in molti laboratori. I procedimenti di
sintesi hanno fatto grandi progressi negli ultimi anni e si comincia a preparare la
via dello sfruttamento industriale. Un gruppo di ricerca all’Università di Cambridge
ha messo a punto nel 2004 un processo per produrre nanotubi in carbonio di
lunghezza illimitata, riuscendo per la prima volta a costruire i tubi e
contemporaneamente a “filarli” in fibre. Oggi le industrie pilota producono qualche
chilo di nanotubi al giorno, ma per il 2010 si conta di arrivare a diverse tonnellate
al giorno, riducendo di mille volte il loro costo. Si pensa di utilizzarli per realizzare
plastiche antistatiche o schermi elettromagnetici, inserendo nei polimeri plastici
piccole quantità di nanotubi. Le applicazioni meccaniche invece hanno bisogno
ancora di conferme.
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I nanotubi possono essere utilizzati per trasportare la materia a livello molecolare,
portando le molecole proprio sul substrato desiderato e questa proprietà potrebbe
essere utilizzata sia in medicina sia nella realizzazione di microcircuiti. I nanotubi
in carbonio, inoltre, potranno sostituire i filamenti di tungsteno delle normali
lampadine, dando un’illuminazione più brillante a tensioni più basse e con un ciclo
di utilizzo più lungo.
E c’è chi, come gli ingegneri della Nasa, sogna di realizzare un ascensore verso lo
spazio utilizzando cavi intrecciati con nanotubi.
Finisce qui il nostro viaggio. Un progressivo avvicinamento alla compiutezza, un
graduale perfezionamento. L’atomo di carbonio ha ripercorso la via della letteratura
e della grandezza; la lettura del viaggio da noi ideato speriamo possa coinvolgervi
allo stesso modo.
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FULLERENE
GRAFITE
DIAMANTE
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Inferno
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Scagliato da siderali spazi,
Nel ventre della terra fu’ annegato.
Provai del fuoco gli amari strazi
Bloccato in un eterno morire,
Sì aspro e duro e freddo diamante
Privato di quel dolce divenire,
E da forze ostili così pressato
Che nel pensier ritorna la paura.
Non ero solo ma ben aggregato
Ond’il Creato è di vita amante.
Immobil con compagni sempiterni:
Da quel momento non andammo avante.
Ad altri quattro di egual natura.
Non era più possibile sfuggire
Dall’aspra tetraedrica struttura,
“Vexilla regis prodeunt inferni”.
Dell’uomo son eterna maraviglia
Che muta e tronca i vincoli fraterni,
Sì da distrugger l’umana famiglia.
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Purgatorio
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Per correr miglior acque alza la vela
La navicella di combinazioni
Con atomi che tessono la tela
Di grafite legati da elettroni,
Non fortemente sì da impedire
Di una nobil struttura le tensioni
In tormentoso e aspro divenire.
Di rocce metamorfiche scistose,
Lì dove non mi lasciano dormire
Degli uomini le tecniche smaniose,
Mi abbandono al ciclo naturale.
Mi muovo in anelli silenziosi
E mi distinguo solo in orbitale
Di elettroni dal centro allontanati
Presi in un destino esagonale.
Come color che insiem son nati
Per un disegno voluto da Dio
Si muovono i miei atomi aggregati
O per un bimbo intento al disio…
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Paradiso
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La gloria di Colui che tutto move
Mi organizzò in una bella forma
Che l’alta fantasia già commove.
Le geometrie perfette erano l’orma
D’amor che move il Sole e le altre stelle.
Di due forme la sfera era adorna,
Poligoni a guisa di sorelle
sicchè divenni poi fullerene,
pentagoni ed esagoni eran quelle.
La sfera da fuliggine proviene
Immagine sferica di perfezione
Di tutto a tutti la speme contiene:
Di povertà e dolore è attenuazione.
La sofferenza umana discerne e cura,
Di cellule maligne è punizione,
Al mortale HIV può far paura.
La fama d’energia può saziare,
Quand’alcali metalli in sua natura
Son:fullerite la fanno nomare.
Quella circulazion quando collassa
La più sottile corda sa creare.
Del carbonio la forma universale,
Che in sé ogni divenire ammassa,
Figura e emblema di forza vitale,
Consegna all’om l’universal messaggio.
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Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca
Istituto di Istruzione Secondaria Superiore “N. Miraglia”
LICEO CLASSICO “N. CARLOMAGNO”
Via Cerse dello Speziale 85045 LAURIA (PZ)
Seg. e Fax 0973 823966
Realizzazione a cura della classe IB
Battaglia Veronica
Bruno Dario
Candela Valentina
Cascini Caterina
Castelluccio Veronica
Celano Maria Teresa
Celano Noemi
Cifarelli Elena
Civale Davide
Clores Domenica
Cozzi Maria Francesca
Docente di Lingua e Lettere italiane
Prof.ssa Rita Galietta
Di Sanzo Domenico
Giovinazzo Giuseppina
Mandarino Francesco
Mastrolorenzo Raffaele
Olivieri Emanuele
Ricciardi Giacomina
Salamone Anna
Viceconti Luca
Viceconti Marilena
Vitale Katia
Docente di Chimica e Scienze naturali
Prof.ssa Gabriella Zaccara
Dirigente Scolastico
Prof. Nicola Ricciardi
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Bibliografia e “sitografia”
•
•
•
La “Divina Commedia” - Dante Alighieri a cura di T. De Salvo – Ed. Zanichelli
Il Sistema Periodico - Primo Levi – Einaudi Editore
Fullerene Science Module Authors: Professor John R. Bleeke and Dr. Regina F. Frey Department of Chemistry,
Washington University St. Louis, MO 63130
•
Fullerene - a cura di Attilio Scala – Tesina di informazione sul fullerene e sulle sue applicazioni - Corso di Tecnologia
di Chimica Applicata, tenuto dal prof. Antonio Apicella - Ingegneria dei Materiali – “Università "Federico II" di Napoli.
•
Nanotubi a base di carbonio - L. Colonna, A. Gianturco, I. Zelano - Informatica per la chimica
Università degli Studi di Torino - Facoltà di Scienze MFN Laurea specialistica in metodologie chimiche avanzate
Anno accademico 2006/2007
•
'Buckyball' Molecule May Block AIDS Step Malcom W. Browne - New York Times August 3, 1993
•
Microlaser o nanotubi? di Giovanni Bachelet e Luciano Colombo- Galileo Giornale di scienza e problemi globali
•
Fullerene - www. wikipedia .it
•
Diamante - www. wikipedia .it
•
Grafite - www. wikipedia .it
•
Nuove meraviglie per i nanotubi di carbonio Le applicazioni potrebbero riguardare sia i dispositivi elettronici sia
gli aerei - Folco Claudi (13 settembre 2000) Le Scienze edizione italiana di Scientific American.
•
I fullereni: un esempio di superordine: http://www.chimicando.it/contributi/fullereni.pdf
•
Struttura del fullerene : http://it.geocities.com/bobby_fenolo/Fullerene/struttura_c60.htm
•
Fullereni nell'ambiente : Le nanoparticelle potrebbero danneggiare gli ecosistemi batterici (13 maggio 2005) Le
Scienze edizione italiana di Scientific American.
•
Nuovo corso di Chimica - F. Tottola, A. Allegrezza, M.Righetti - Minerva Italica
•
Geografia Generale M. Crippa, M. Fiorani – Arnoldo Mondadori Scuola
Le immagini sono state tratte da siti web, alcuni dei quali sopracitati.
Musiche: Quarta corda J.S. Back- Celine Dion Titanic
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