LA CHIMICA DEL CARBONIO

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1 LA CHIMICA DEL CARBONIO E QUELLA PARTE DELLA CHIMICA CHE STUDIA IL CARBONIO E TUTTI I SUOI DERIVATI. I COMPOSTI DEL CARBONIO POSSONO ESSERE NATURALI (PROTEINE, ACIDI NUCLEICI, LIPIDI E CARBOIDRATI) colesterolo DNA emoglobina glucosio

2 O ESSERE PRODOTTI DI SINTESI (MATERIE PLASTICHE, PRODOTTI FARMACEUTICI, SOSTANZE ALIMENTARI, CARBURANTI) aspirina anfetamina pvc

3 CARBONIO IL CARBONIO È IL PRIMO ELEMENTO DEL IV GRUPPO DELLA TAVOLA PERIODICA: CONFIGURAZIONE ELETTRONICA s 2 p 2 POSSIBILITÀ DI FORMARE 4 LEGAMI COVALENTI E MOLTO DIVERSO DAL SILICIO (GRUPPO IV), CHE COMPONE PREVALENTEMENTE LA SUPERFICIE TERRESTRE SOTTO FORMA DI SILICATI (SIO 2 ) E SABBIA; E CHE COME IL CARBONIO È PRESENTE IN NATURA IN MOLTI COMPOSTI; co 2 quarzo IL CARBONIO FORMA MOLTI PIÙ DOPPI LEGAMI RISPETTO AL SILICIO (IL BIOSSIDO DI CARBONIO È UN GAS MENTRE IL BIOSSIDO DI SILICIO È UN SOLIDO);

4 ANCHE I DOPPI LEGAMI C=C E I TRIPLI LEGAMI C C, ANCH ESSI MOLTO DIFFUSI, SONO MOLTO STABILI. Elenco dei possibili legami che il carbonio può formare con un altro carbonio o con altri elementi (N, C, H).

5 LE IBRIDAZIONI DEGLI ORBITALI s E p L IBRIDAZIONE sp 3 CARATTERISTICA DEGLI ALCANI, I 109 TRA GLI ORBITALI CONSENTONO AGLI ATOMI DI CARBONIO SOLO LEGAMI SEMPLICI (σ)( GLI ORBITALI IBRIDI HANNO ENERGIA INTERMEDIA, MAGGIORE DELL ORBITALE 2s E INFERIORE ALL ORBITALE 2p

6 Formazione del doppio legame L IBRIDAZIONE sp 2 e sp ATOMI DI CARBONIO CON IBRIDAZIONE sp 2 POSSONO FORMARE FRA LORO DOPPI LEGAMI (CARATTERISTICI DEGLI ALCHENI) Formazione del triplo legame GLI IBRIDI sp CONSENTONO DI FORMARE LEGAMI TRIPLI (CARATTERISTICI DEGLI ALCHINI)

7 FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO IL CARBONIO IN NATURA E PRESENTE IN TRE DIVERSE FORME ALLOTROPICHE: LA GRAFITE IL DIAMANTE IL FULLERENE LE PROPRIETA E GLI USI DELLE DIVERSE FORME SONO IN RELAZIONE CON LE LORO STRUTTURE MOLECOLARI.

8 Struttura cristallografica LA GRAFITE L IBRIDAZIONE TIPICA DELLA GRAFITE È sp 2 I LEGAMI TRA ATOMI DI CARBONIO FORMANO ESAGONI REGOLARI DISPOSTI IN STRATI PLANARI (FORZE DI VAN DER WAALS) SIMILE AL MARE DI ELETTRONI SCURA, OPACA, CON UNA LUCENTEZZA METALLICA, HA NOTEVOLE CONDUCIBILITÀ ELETTRICA NELLA DIREZIONE PARALLELA AI PIANI ED HA PROPRIETÀ LUBRIFICANTI; LA GRAFITE È PRODOTTA IN NATURA PER TRASFORMAZIONI DI SEDIMENTI ORGANICI E PUÒ ESSERE PRODOTTA ANCHE INDUSTRIALMENTE RISCALDANDO IL CARBONE COKE A TEMPERATURA ELEVATE.

9 IL DIAMANTE Struttura cristallografica OGNI ATOMO DI CARBONIO È LEGATO COVALENTEMENTE AD ALTRI QUATTRO POSTI AI VERTICI DI UN TETRAEDRO REGOLARE MEDIANTE LEGAMI σ CON IBRIDAZIONE sp 3 ; LA LUNGHEZZA DI LEGAME È PARI A 1.54 Å; E UN SOLIDO RIGIDO, TRASPARENTE ED ISOLANTE, IN NATURA È IL MATERIALE PIÙ DURO ED E ANCHE IL MIGLIOR CONDUTTORE DI CALORE; E PRODOTTO DALL ALTA PRESSIONE PRESENTE NEI CAMINI VULCANICI; MA E POSSIBILE OTTENERE ANCHE DIAMANTI SINTETICI.

10 IL FULLERENE C 60 Struttura cristallografica LA STRUTTURA È STATA INDIVIDUATA PER LA PRIMA VOLTA NEL 1985 È SIMILE AD UN GEODE (DISEGNATO PER LA PRIMA VOLTA DA BUCKIMINSTER FULLER ) OGNI CARBONIO È CIRCONDATO DA ALTRI 3 CARBONI CHE DANNO ORIGINE A 5 O 6 ANELLI, I LEGAMI CHE SI FORMANO SONO SIMILI A QUELLI PRESENTI NELLA GRAFITE; I FULLERENI SONO STATI SCOPERTI NELLE POLVERI DI CARBONIO.

11 I COMPOSTI DEL CARBONIO IL CARBONIO FORMA VARI OSSIDI, I PIU IMPORTANTI SONO: L OSSIDO (CO) ALTAMENTE TOSSICO PER L ORGANISMO PUÒ FORMARE ANCHE COMPOSTI IMPORTANTI CON I METALLI DI TRANSIZIONE (NI(CO) 4 ) È UNA BASE DI LEWIS ED È PARTICOLARMENTE REATTIVA REAGISCE ESOTERMICAMENTE CON L O 2 DANDO DIOSSIDO DI CARBONIO: 1 CO + O CO 2 2 H = -283 kj/mol 2

12 IL DIOSSIDO (CO 2 ) ANIDRIDE CARBONICA TRA I DIOSSIDI DEGLI ELEMENTI DEL GRUPPO 14 È L UNICO COMPOSTO VOLATILE, MENTRE SiO 2, GeO 2, SnO 2, PbO 2 SONO TUTTI SOLIDI È SOLUBILE IN ACQUA; PUÒ ESSERE CONSIDERATO COME L ANIDRIDE DELL ACIDO CARBONICO: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (aq) LA SOLUBILITÀ IN ACQUA È CIRCA 0,034 M SOLO LO 0.37% È IN FORMA DI H 2 CO 3 IL RESTANTE 99.63% È IN FORMA DI MOLECOLA DI CO 2 LA COSTANTE DI PRIMA IONIZZAZIONE DELL ACIDO CARBONICO È: [H + ] [HCO 3- ] [H 2 CO 3 ] = 4.4*10-7 OVE [H 2 CO 3 ] INDICA LA CONCENTRAZIONE TOTALE DI QUASI TUTTE LE SPECIE NEUTRE, H 2 CO 3 E CO 2.

13 POICHÉ CO 2 È LA SPECIE PREVALENTE LA COSTANTE DI EQUILIBRIO PUÒ ESSERE SCRITTA: [H + ] [HCO 3- ] [CO 2 ] = 4.4*10-7 L EQUILIBRIO CO 2 -CARBONATI-BICARBONATIBICARBONATI SVOLGE UN RUOLO FONDAMENTALE NEI CONFRONTI DEL POTERE TAMPONE O ALCALINITÀ NELL AMBIENTE INOLTRE CO 2 / CO 3 2- / HCO 3 - (CARBONATI) HANNO IMPORTANTISSIME ATTIVITÀ BIOLOGICHE: INTERAZIONE CON EMOGLOBINA TAMPONARE IL SANGUE EQUILIBRIO CHEMIOSMOTICO

14 CO 2 / CO 2-3 / HCO 3- (CARBONATI) HANNO ANCHE IMPORTANTISSIME ATTIVITÀ GEOCHIMICHE: - ZOOXANTALLE, ciclo del calcio CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca(HCO 3 ) 2 - FORMAZIONI CALCAREE Formazioni calcaree Proporzione di CO 2 / CO 2-3 / HCO - 3 al variare del ph Ciclo del calcio in animali marini

15 Termina Da capo

16 Cattedra di Chimica Università di Brescia

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