carbònio

Descrizione generale

sm. [sec. XIX; da carbone]. Elemento di simbolo C, di peso atomico 12,01 e numero atomico 6. In natura il carbonio è costituito per il 98,892% dall'isotopo di massa atomica 12 e per l'1,108% da quello di massa atomica 13; in genere contiene anche tracce dell'isotopo di massa atomica 14. Quest'ultimo isotopo, a differenza degli altri due, è radioattivo (per cui è anche detto radiocarbonio) ed emette particelle β, con un periodo di semitrasformazione di 5570 anni (questa caratteristica è sfruttata per la datazione di reperti fossili o archeologici); si forma nell'alta atmosfera da atomi di azoto per collisione con i neutroni prodotti dai raggi cosmici. Il carbonio è un elemento poco abbondante nella crosta terrestre, della quale rappresenta appena lo 0,08%, ma presenta un'importanza del tutto particolare perché è l'elemento tipico dei composti organici che costituiscono tutti gli organismi viventi. I suoi minerali sono rappresentati, oltre che dalle due forme allotropiche del carbonio nativo, il diamante e la grafite, soprattutto da carbonati, tra i quali abbondano la calcite e la dolomite "Vedi tabella vol. V, pag. 434" . "Per le proprietà fisiche di alcune forme allotropiche del carbonio vedi tabella al lemma del 5° volume." Minerali del carbonio possono inoltre considerarsi il carbone, il petrolio e l'asfalto. Forme allotropiche artificiali del carbonio possono considerarsi i cosiddetti carboni amorfi (carbone vegetale, carbon black, ecc.) di cui è stata accertata la struttura microcristallina. § In astronomia: A) ciclo del carbonio, lo stesso che ciclo di Bethe; B) stelle al carbonio, stelle giganti il cui spettro è contraddistinto da intense bande molecolari di cianogeno, idruro di carbonio e carbonio biatomico. Queste stelle erano un tempo classificate nei tipi spettrali R e N, ora conglobati nel tipo C. Fra di esse si contano numerose variabili irregolari e a lungo periodo.

Composti del carbonio: generalità

Il carbonio appartiene al IV gruppo del sistema periodico degli elementi ed è collocato in una posizione equidistante dalle configurazioni stabili dell'elio e del neo. Tale posizione determina nell'elemento una minima disponibilità a formare legami ionici; il carbonio forma infatti legami di tipo covalente: lo ione C⁴⁺ non è mai stato rilevato, lo ione C^4– è forse presente in alcuni carburi. Nei suoi composti il carbonio risulta solitamente tetravalente, e solo eccezionalmente bivalente, come nell'ossido di carbonio CO; i composti del carbonio bivalente sono inoltre meno stabili. Il carbonio può combinarsi in maniera variabilissima con i non metalli, i metalli e l'idrogeno. A ciò va aggiunta la grande tendenza del carbonio a combinarsi con se stesso per formare catene lineari, ramificate, cicliche, sature o insature, semplici o estremamente complesse. I composti del carbonio per il loro enorme numero, per le loro particolari caratteristiche e per la loro grande importanza scientifica e tecnica costituiscono un capitolo a parte della chimica, che prende il nome di chimica organica. Per tradizione e per le loro caratteristiche, diverse da quelle dei composti della chimica organica, si classificano invece inorganici alcuni composti del carbonio la cui molecola contiene per lo più un solo atomo di questo elemento. Oltre a quelli sottoelencati, trattati in dettaglio, altri composti organici del carbonio sono il carbonato, il carburo, l'acido carbonico ecc.

Composti del carbonio: biossido di carbonio e suoi impieghi

Nome introdotto dalla moderna nomenclatura chimica per indicare il composto di formula CO₂, generalmente indicato nell'uso con il nome tradizionale di anidride carbonica. Il biossido di carbonio si presenta a temperatura ambiente come un gas incolore, più pesante dell'aria, di odore leggermente pungente allo stato puro e di sapore acidulo. Alla temperatura di 20 ºC, sottoposto a una pressione di 56,5 atm, liquefa trasformandosi in un liquido incolore; alla pressione atmosferica e alla temperatura di –79 ºC passa invece direttamente dallo stato gassoso a quello solido, costituendo il cosiddetto ghiaccio secco o neve carbonica. Il biossido di carbonio è assai solubile in acqua, ma la sua solubilità diminuisce fortemente al crescere della temperatura: la solubilità aumenta invece con la pressione. L'atmosfera contiene in media una quantità di biossido di carbonio pari al 2-4×10^–2% circa in volume, che varia però notevolmente da una zona all'altra; è per esempio minore nelle zone boschive, assai più elevata nell'atmosfera dei grandi centri urbani e industriali. Industrialmente il biossido di carbonio viene prodotto dai gas di combustione, facendolo assorbire da acqua sotto pressione in speciali torri di assorbimento a una pressione di 20 atm ca.; a questa pressione, mentre i gas che lo accompagnano, come l'azoto e l'eccesso di ossigeno, sono ancora poco solubili in acqua, il biossido di carbonio si discioglie in grandi quantità, per poi liberarsi molto concentrato quando la soluzione, attraverso adatti dispositivi di espansione, viene portata alla pressione atmosferica. In laboratorio il biossido di carbonio viene solitamente preparato in un apparecchio di Kipp o in altri analoghi apparecchi attaccando del carbonato di calcio con acido cloridrico: l'acido carbonico che si libera si decompone immediatamente in acqua e biossido di carbonio

Grandi quantità di biossido di carbonio trovano attualmente impiego in particolare nella preparazione delle bevande gasate e, sotto forma di ghiaccio secco, quale agente refrigerante. Delle 2,364×10¹² t di biossido di carbonio che si calcola siano presenti nell'atmosfera le piante ne consumano annualmente oltre 100 milioni, che vengono totalmente restituiti all'aria attraverso i processi di combustione, le ossidazioni biochimiche, la dissociazione dei bicarbonati contenuti nelle acque, le esalazioni vulcaniche, ecc. Il corpo umano produce nel corso del metabolismo alcune centinaia di cm³ di CO₂ per minuto. Il gas, formato nell'interno delle cellule, diffonde facilmente nel sangue dal quale viene trasportato: come ione bicarbonato; come carboaminoemoglobina, prodotto di combinazione dell'emoglobina; sotto forma di complesso con le proteine plasmatiche; fisicamente sciolto nel sangue. Alla concentrazione in cui è normalmente contenuto nel sangue venoso il biossido di carbonio esercita una pressione parziale (pCO₂) di 46 mm di Hg. A livello dei polmoni parte del gas viene ceduta e di conseguenza eliminata attraverso la respirazione. L'inalazione di CO₂ oppure una diminuita ventilazione polmonare portano a un aumento della concentrazione ematica del gas e quindi a un aumento della pCO₂. Quando ciò si verifica il pH del sangue diminuisce e si determina una condizione di “acidosi respiratoria”. Si ha al contrario “alcalosi respiratoria” e aumento del pH ematico allorché diminuisce la pCO₂. Poiché il biossido di carbonio diffonde liberamente nelle cellule, i cambiamenti della pCO₂ determinano altrettanti cambiamenti del pH intracellulare. Il biossido di carbonio ha quindi un ruolo fondamentale tra i meccanismi deputati al mantenimento dell'equilibrio idrogenionico e alla regolazione del pH fisiologico. Il CO₂ esercita effetti di stimolo sulla funzione respiratoria, aumentando la ventilazione polmonare per azione diretta sui centri nervosi del respiro. Agisce inoltre sul cuore riducendo l'eccitabilità e la forza di contrazione del miocardio; sul sistema nervoso centrale esercita effetti di tipo deprimente. L'inalazione di CO₂ in concentrazioni superiori al 10% produce dispnea, vertigini, cefalea, spossatezza, sudorazione profusa. In medicina il biossido di carbonio viene impiegato in miscela con l'ossigeno in varie situazioni patologiche caratterizzate da depressione respiratoria, nella pratica anestesiologica, nell'avvelenamento da ossido di carbonio. Viene anche adoperato sotto forma di “neve carbonica” come anestetico e cauterizzante nel trattamento di verruche, lupus eritematoso, blastomicosi, ecc. § L'aumento dell'impiego di combustibili fossili, a partire dalla rivoluzione industriale del sec. XVIII, ha determinato una sensibile alterazione del ciclo naturale del biossido di carbonio, aumentandone i livelli nell'atmosfera di ca. il 50%, il cui raddoppio porterebbe a conseguenze disastrose, tra cui l'aumento della temperatura media dell'atmosfera (vedi effetto serra).

Composti del carbonio: ossido di carbonio e suoi impieghi

Composto chimico di formula CO, noto anche come monossido di carbonio. È un gas incolore e inodore, appena più leggero dell'aria, che alla pressione atmosferica liquefa a –191,5 ºC ed è pochissimo solubile in acqua. In natura si rinviene in piccola quantità in alcuni gas vulcanici; si forma nella combustione del carbonio e dei suoi composti organici in difetto di ossigeno, e inoltre per reazione tra il carbone e il biossido di carbonio a temperatura elevata. La reazione dà luogo a

un equilibrio che si sposta a destra con l'aumentare della temperatura: per esempio, in presenza di un eccesso di carbone e alla temperatura di 1000 ºC la miscela gassosa di equilibrio è costituita per il 99,4% di ossido di carbonio e appena per lo 0,6% da biossido di carbonio. A temperatura elevata l'ossido di carbonio si comporta come un energico riducente nei confronti di molti ossidi metallici, riducendoli a metalli, per esempio:

Quando venga acceso o anche spontaneamente alla temperatura di 700 ºC, l'ossido di carbonio brucia all'aria con fiamma bluastra fortemente calorifera. L'ossido di carbonio viene infatti prodotto, sotto forma del cosiddetto gas povero (o, più modernamente, di gas misto) nei gasogeni industriali, per essere utilizzato quale combustibile gassoso, per esempio nei forni Martin-Siemens delle acciaierie. L'ossido di carbonio è inoltre contenuto, in una quantità prossima al 10%, nel comune gas illuminante per uso domestico, ottenuto per distillazione del carbon fossile e in parte per gassificazione del coke.

Composti del carbonio: ossido di carbonio e sua tossicità

L'ossido di carbonio è fortemente tossico ed è elevata la frequenza di avvelenamenti accidentali o suicidiari provocati dalla sua inalazione. Tra le numerose sorgenti di CO vi sono i gas di scarico delle automobili, il gas illuminante delle città, le fornaci con insufficiente tiraggio, le stufe e gli scaldabagni a gas male funzionanti ecc. Il potere tossico dell'ossido di carbonio dipende in massima parte dalla sua concentrazione nell'aria respirata e dalla durata dell'esposizione, ma varia considerevolmente anche in rapporto alle condizioni fisiologiche o patologiche individuali. Per esempio, il soggetto anemico, l'ipertiroideo o il bambino sono molto più sensibili dell'adulto sano al CO. Come indice di tossicità potenziale dell'ossido di carbonio viene talora assunta la formula di Henderson e Haggard costituita dal prodotto tempo (T) di esposizione al tossico (in ore) per la sua concentrazione (c) in 10.000 parti di aria. Quando il prodotto T×c è inferiore a 6, il gas non produce apprezzabili effetti tossici; diviene potenzialmente pericoloso per T×c=9, mentre è quasi sempre letale per valori della formula superiori a 15. Si deduce da ciò che l'esposizione in ambienti che contengono più dello 0,1% di CO (cioè 10 parti in 10.000 parti di aria) per un periodo di 90 minuti può provocare un avvelenamento mortale essendo

La sintomatologia dell'avvelenamento varia sensibilmente, in rapporto alla concentrazione del tossico inalato. La morte può sopraggiungere fulminea in soggetti che a scopo suicida o accidentalmente inspirino forti quantità di gas illuminante. Più spesso l'intossicazione si manifesta con un vago senso di malessere a cui seguono cefalea, nausea, vertigini, ronzii auricolari. Successivamente un intenso bisogno di dormire precede la perdita della coscienza. Il sonno diviene gradatamente comatoso, il polso si fa aritmico, si riducono la pressione e la temperatura corporea, mentre l'intossicato passa gradatamente dal coma alla morte. Negli avvelenamenti non letali la coscienza viene riacquistata in un arco di tempo molto variabile (da poche ore fino a settimane dall'esposizione al tossico). Postumi comuni dell'avvelenamento sono disturbi della motilità (paralisi da ossido di carbonio) e perdita o riduzione della memoria. Il potere tossico del CO è legato alla sua grande affinità per l'emoglobina. La combinazione del gas con il pigmento dei globuli rossi porta alla sintesi di carbossiemoglobina, la quale è incapace di trasportare l'ossigeno respiratorio nei vari tessuti dell'organismo. Pertanto nel soggetto intossicato le cellule vanno incontro all'anossia, non potendo rifornirsi del normale apporto di ossigeno, e perdono, di conseguenza, le loro peculiari proprietà funzionali. Particolarmente sensibili all'azione tossica del CO sono il tessuto nervoso e il tessuto miocardico, cioè i tessuti che ordinariamente necessitano di un forte e regolare apporto di ossigeno. Le più importanti misure che si adottano nella terapia dell'avvelenamento acuto da CO sono l'immediato trasferimento dell'intossicato all'aria pura, la respirazione artificiale, trasfusioni di sangue ecc.

Composti del carbonio: solfuro di carbonio e suoi impieghi

Composto di formula CS₂, liquido incolore e facilmente volatile a temperatura ambiente. Si prepara per combinazione diretta dei due elementi, facendo passare i vapori di zolfo su carbone rovente. Il solfuro di carbonio era largamente usato come solvente per i grassi ma, poiché è assai tossico e facilmente infiammabile, è stato gradualmente sostituito da altri solventi, in particolare dai clorurati tipo trielina. Grandi quantità di solfuro di carbonio vengono impiegate per la produzione del rayon viscosa.

Composti del carbonio: tetracloruro di carbonio e suoi impieghi

Composto di formula CCl₄, il più importante dei composti del carbonio con gli alogeni. Si prepara per clorurazione del metano con un eccesso di cloro, oppure per reazione tra il cloro e il solfuro di carbonio

È un liquido incolore, pesante, dal caratteristico odore non sgradevole quando il composto è perfettamente puro; è immiscibile con l'acqua e non infiammabile. È molto usato come reattivo e solvente nell'industria chimica, come smacchiatore o componente di estintori d'incendio; inoltre sue applicazioni sono assai comuni nella fumigazione del grano, nella lavorazione delle gomme, nella preparazione di insetticidi a spruzzo ecc. In passato il CCl₄ ha trovato applicazione in medicina come anestetico e antielmintico. Tali impieghi sono stati in seguito abbandonati a causa dell'elevata tossicità della sostanza. § Il CCl₄ ha un notevole interesse tossicologico in quanto è spesso responsabile di avvelenamenti acuti e cronici sia a livello domestico sia in campo industriale. Maggiormente sensibili all'azione tossica del CCl₄ sono il fegato, i reni, il cuore e il sistema nervoso centrale. L'avvelenamento acuto può aversi in seguito all'ingestione del tossico a scopo suicida o, più spesso, accidentalmente per inalazione dei suoi vapori in ambienti piccoli e male ventilati. Sintomi caratteristici dell'avvelenamento sono l'irritazione delle mucose, nausea, vomito, vertigini, convulsioni. Nelle forme più gravi, per esempio dopo ingestione di quantità superiori a 4-5 cm³, si possono avere conseguenze letali per depressione profonda dei centri respiratori, o anche la morte immediata per fibrillazione ventricolare. L'intossicazione cronica, derivante da un'esposizione protratta a vapori di CCl₄, si manifesta con nausea, perdita dell'appetito, apatia, perdita di peso; tali sintomi sono espressione di un primitivo danneggiamento del fegato. La terapia dell'intossicazione cronica viene condotta, oltre che per via sintomatica, con farmaci epatoprotettori e con l'ausilio di diete adeguate tendenti a non aggravare la riduzione della funzionalità epatica.

Ciclo del carbonio

Il carbonio è un fondamentale elemento costitutivo degli organismi viventi "Vedi schema vol. V, pag. 434" . "Per il ciclo del carbonio vedi schema al lemma del 5° volume." Nei tessuti vegetali è presente in percentuale media di 12-12,5%, che corrisponde a ca. il 50% di materiale secco. Il corpo umano, il cui contenuto acquoso è del 62-63%, contiene ca. il 20% di carbonio (53% dell'intero organismo disidratato). In natura il carbonio è al centro di continui scambi tra organismi e ambiente. Il complesso di questi scambi può essere configurato in un ciclo, detto ciclo del carbonio, che origina con l'utilizzazione del carbonio atmosferico da parte delle piante verdi. Tale processo, realizzato nel corso della fotosintesi clorofilliana grazie all'energia solare, permette alla maggior parte degli organismi vegetali (fotoautotrofi) di costruire i materiali di struttura e di riserva, nonché le fonti di energia, a partire dall'acqua e dal biossido di carbonio dell'aria. Analogamente, i batteri (chemioautotrofi) attuano la biosintesi delle sostanze organiche, utilizzando però non l'energia radiante, ma l'energia chimica che si sviluppa nel corso di particolari reazioni ossidative endocellulari. Le sostanze organiche elaborate dagli organismi autotrofi vengono successivamente utilizzate dall'uomo e dagli altri animali eterotrofi. Il carbonio viene restituito all'atmosfera come biossido di carbonio attraverso molteplici vie, che comprendono la respirazione, i processi putrefattivi, la combustione delle sostanze organiche, le esalazioni vulcaniche, la dissoluzione dei depositi di carbonati degli oceani, dei fiumi, ecc. La velocità con cui questo ciclo ha luogo è diversa sui continenti (decine di anni) e nei mari (mesi): infatti la massa principale degli organismi marini ha vita media piuttosto breve; i processi che hanno luogo nei due tipi di ambienti sono ovviamente collegati tramite l'atmosfera. Una parte del materiale organico non subisce decomposizione, ma deposita sedimenti che lentamente fossilizzano, dando origine a carbone e petrolio. In passato si sono accumulate enormi quantità di questi materiali (corrispondenti a circa 10 milioni di miliardi di t di carbone) che, soprattutto nel corso degli ultimi cento anni, sono stati bruciati come fonti di energia. Tutto ciò determina un aumento del livello di biossido di carbonio nell'atmosfera, solo parzialmente compensato dall'aumento della fissazione da parte delle piante verdi e da un aumento della quantità di biossido di carbonio disciolto nei mari.

Industria: fibre di carbonio

Viene così indicato un materiale fibroso di tipo grafitico (contenente oltre il 95% di carbonio) ottenibile per pirolisi di fibre di rayon viscosa o, più modernamente, di poliacrilonitrile. Queste ultime, riscaldate a temperature fino a 3000 °C, perdono ammoniaca e acido cianidrico, arricchendosi così in carbonio. Un successivo trattamento termico produce la grafitizzazione del materiale carbonioso grezzo precedentemente ottenuto. Le fibre di carbonio hanno proprietà eccezionali dal punto di vista sia meccanico (tenacità, leggerezza) sia di resistenza al calore. Il loro uso si è perciò ampiamente diffuso nella formulazione di materiali compositi impiegati nell'industria aerospaziale, nautica e automobilistica (la bassa densità delle fibre di carbonio conferisce leggerezza ai materiali, con conseguente risparmio di carburante e/o aumento di carico tollerato), e per la produzione di tessuti protettivi adatti a resistere alle alte temperature.

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