IL CARBONIO e la chimica del CARBONIO

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1 IMIA del ARBNI 1 IL ARBNI e la chimica del ARBNI Il carbonio è uno degli elementi chimici principali che costituiscono piante e animali (composti o sostanze organiche), ma anche sostanze chimiche ottenute dall uomo (materiali plastici, tessuti..). È presente come costituente di molecole complesse (formate da molti atomi di diversi elementi chimici), oppure in forma pura (cioè costituito da soli atomi di carbonio) come diamante oppure grafite. Il carbonio puro trova molte applicazioni in diversi campi. I diamanti sono pietre preziose e vengono usati per la fabbricazione di strumenti che richiedono durezza e resistenza all'uso, come le puntine dei giradischi. La grafite viene usata in molti casi come lubrificante in metalmecccanica ma anche nelle pile a secco (usate per i walkman e altre apparecchiature) o nelle vernici Nelle pile a secco (usate per i walkman e altre apparecchiature) coe elettrodo Nella fabbricazione di vernici La «mina» delle matite è un miscuglio di grafite e argilla; gli strati di grafite vengono staccati dalla punta della matita in seguito alla frizione con il foglio di carta. La quantità di argilla determina la durezza della matita. Il carbone di legna (carbone attivo, charbon actif) ha la proprietà di assorbire sulla sua superficie grandi quantità di gas; perciò è utilizzato negli impianti di depurazione delle acque, nelle maschere antigas e per eliminare le sostanze coloranti dalle soluzioni (ad esempio nella raffinazione dello zucchero). Ferro e carbonio, mescolati insieme formano una lega, come per esempio l'acciaio. Il nerofumo, l'additivo che rende nera la gomma dei pneumatici, viene utilizzato nella produzione di carta carbone, inchiostri da stampa e lucidi da scarpe.

2 IMIA del ARBNI 2 In più, il carbonio si combina con altri atomi di carbonio oppure con alcuni altri elementi chimici( ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo, fosforo), per formare un'infinità di composti (diversi milioni), che comprendono i materiali plastici, le vernici, i tessuti, i medicamenti, i coloranti, i costituenti dei tessuti viventi (grassi, zuccheri, proteine) e altri ancora. Più in dettaglio partendo dai composti più semplici: Il carbonio si trova anche nell'atmosfera, sotto forma di anidride carbonica ( 2 ) In anni recenti è stato dimostrato che l'accumulo atmosferico di 2 proveniente dagli scarichi delle combustioni industriali o dalle attività umane contribuisce al cosiddetto effetto serra, che provoca un graduale riscaldamento della Terra. Il monossido di carbonio () è un gas combustibile, è inodore, incolore, insapore ed estremamente velenoso: respirare anche una piccola quantità di monossido di carbonio può portare progressivamente alla morte. on il cloro (l), il carbonio forma per esempio il cloroformio (l 3 ), usato una volta come anestetico ma ora solo come solvente, il tetracloruro di carbonio (l 4 ) un altro solvente, la trielina ( 2 l 3 ) e il percloroetilene ( 2 l 4 ) che venivano usati come solventi e smacchianti per grassi e oli nella pulizia dei tessuti a secco. Questi composti sono però molto tossici, per cui devono essere prese le misure necessarie per evitare i contatti con queste sostanze (lavatrici a circuito chiuso e automatiche). Attenzione in caso di fughe di prodotti per guasti alle guarnizioni dei macchinari, oppure alla presenza di resti di solvente dopo il al lavaggio di articoli foderati o sacchi a pelo Il carbonio si combina anche con cloro e fluoro e forma i clorofluorocarburi (abbreviati con la sigla F), usati fino ad oggi negli impianti frigoriferi e nelle confezioni spray. ggi i F sono vietati, perché la loro dispersione nell'atmosfera danneggia lo strato di ozono, che protegge la Terra dalle radiazioni solari ultraviolette.

3 IMIA del ARBNI 3 Gli idrocarburi, composti da carbonio e idrogeno (MPSTI binari ( e )), sono i costituenti principali del petrolio e del gas naturale (metano). È soprattutto a partire delle sostanze chimiche presenti nel petrolio grezzo (circa 200 tipi differenti!!) che vengono prodotte dopo diverse purificazioni e trasformazioni i materiali plastici. Utilizzo del petrolio per produrre materie plastiche e altri prodotti di sintesi

4 IMIA del ARBNI 4 solo legami semplici nella molecola ALANI n 2n +2 Tre modi per rappresentare una molecola di metano 4 BUTAN 4 10 ALENI n 2n un solo legame doppio nella molecola etene butene pentene DIENI diversi legami doppi nella molecola ALINI n 2n -2 un solo legame triplo nella molecola

5 IDRARBURI ciclici di tipo ARMATI IMIA del ARBNI 5 Gli idrocarburi aromatici costituiscono una classe particolare di idrocarburi insaturi ciclici (alcuni composti di questo gruppo sono odorosi). Un esempio è tipico è il BENZENE e i suoi derivati (fenolo, anilina, toluene) Diverse possibilità di rappresentazione delle strutture del benzene. I doppi legami non hanno una posizione fissa, quindi vengono indicati con un cerchio Il benzene (molto velenoso!!) è un punto di partenza per ottenere numerose altre sostanze ome altre sostanze (medicamenti) sono dei prodotti di SINTESI, cioè sostanze complesse ottenute da sostanze semplici per aggiunta di vari gruppi di atomi e sempre tramite reazioni chimiche. Formule chimiche di alcuni derivati del benzene

6 Rappresentazione di molecole organiche IMIA del ARBNI 6 RIASSUNT IDRARBURI Idrocarburi saturi: contengono solo legami semplici Idrocarburi insaturi: contengono anche legami doppi o tripli (alcheni, dieni, alchini)

7 IMIA del ARBNI Gruppi alchilici Gruppi di atomi ottenuti sottraendo un atomo di idrogeno ad un alcano Questi gruppi possono dunque sostituirsi ad atomi di idrogeno nelle catene di carbonio 7 alcani gruppi alchilici 4 metano 3 metile 3 3 etano 2 3 etile propano propile butano butile I gruppi funzionali sono dei gruppi ben definiti di atomi che sono generalmente formati da combinazioni di carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto. Questi gruppi di atomi sono legati a dei gruppi alchilici (anche ciclici o aromatici) e determinano le caratteristiche chimiche dell intero composto

8 Vediamo ora in dettaglio gli ALLI ALLI composti che presentano gruppi ossidrilici IMIA del ARBNI legato a un gruppo alchilico. 8 METANL 3 ETANL PRPANL Gli alcool possono avere anche più di un gruppo - I DILI (o glicoli) ne hanno 2. Vediamo per esempio il glicole etilenico (il più comune antigelo, usato anche come reagente per la sintesi della fibra tessile poliestere) Alcool con tre gruppi -. Esempio : glicerina on la glicerina oltre saponi e altri prodotti simili, si fabbrica la NITRGLIERINA, facendo reagire apppunto la glicerina con acido nitrico (e acido solforico)

9 IMIA del ARBNI 9 AMMINE omposti che presentano un atomo di azoto legato a uno o più atomi di carbonio appartenenti a gruppi alchilici. N 3 AMMNIAA 3 N 2 METILAMMINA 3 2 N 2 ETILAMMINA 3 3 N DIMETILAMMINA AIDI ARBSSILII composti che presentano il gruppo carbossilico - R

10 IMIA del ARBNI 10 acido propionico: odore e sapore di formaggio; acido butirrico: odore di burro rancido acidi carbossilici con una lunga catena idrocarburica formano gli acidi grassi, componenti dei grassi (lipidi) I composti organici visti finora possono esistere come tali oppure combinarsi tra di loro. Queste combinazioni possono essere tra unità identiche o tra unità diverse tra loro. Per esempio una molecola di alcool può legarsi ad una molecola di acido carbossilico per formare un ESTERE (con eliminazione di una molecola d acqua), che ha caratteristiche chimiche diverse dai costituenti di partenza. Formazione del gruppo R Ecco alcuni esteri (sono per esempi aromi e profumi di frutti): osserva il cambiamento di caratteristiche chimiche con i composti di partenza.

11 IMIA del ARBNI 11 Nel caso invece della formazione di lunghe catene di composti, prendiamo l esempio dell etilene L etilene (detto anche etene), si combina con altre molecole di etilene per formare il PLIETILENE. Le unità sono dette MNMERI, le catene sono dette PLIMERI. Il processo chimico è detto di PLIMERIZZAZINE

12 IMIA del ARBNI 12 Struttura chimica La struttura chimica, la grandezza e la disposizione delle macromolecole determinano le caratteristiche chimico-fisiche del prodotto. Le fibre tessili sono costituite da un insieme di macromolecole (polimeri) con le seguenti caratteristiche generali: struttura a catena lineare disposte in modo ordinato orientate secondo un asse preferenziale trattenute insieme da forze intermolecolari, che permettono un impacchettamento delle macromolecole e quindi una struttura compatta e cristallina

13 IMIA del ARBNI 13 IL PLIESTERE fibre di poliestere e di cotone al microscopio Il PLIESTERE è un polimero lineare che di solito contiene circa 20'000 unità per catena. Le catene quando sono allineate si attraggono tramite interazioni dipolo-dipolo, uno dei tre tipi di legami deboli che avvengono tra molecole diverse. gni unità risulta generalmente dall unione di un di un diolo (alcool con due gruppi -, come per esempio il glicole etilenico usato tra l atro anche nei fluidi anticongelanti), con acido bicarbossilico (per esempio l acido tereftalico) PLIESTERE (Dacron, Trevira, Terital, Tergal ) Il polimero fuso può fondere senza decomporsi per poi venire forzato in una filiera attraverso dei fori molto sottili e solidificando sotto forma di fibre Queste fibre vengono poi stirate fino a raggiungere una lunghezza che è 5 volte quella originaria. Durante il processo di stiramento, le molecole del polimero si allineano in modo da sistemarsi parallelamente all asse della fibra. Questo fa si che le molecole si impacchettino strettamente l una vicino all altra, in modo che il filo diventa più resistente.

14 IMIA del ARBNI 14 Questo stretto impacchettamento delle molecole di polimero rende anche più difficile a molecole esterne la penetrazione nella fibra, per cui il poliestere stirato è chimicamente più resistente e assorbe meno acqua del polimero non stirato: per la stessa ragione è difficile tingere le fibre poliestere in quanto le molecole di colorante riescono abbastanza difficilmente a sistemarsi tra le catene di polimero. Esistono però delle tecniche di colorazione che permettono di ovviare a questo problema.

15 IL PLIAMMIDE (Nylon) IMIA del ARBNI 15 Il PLIAMMIDE (PA) è un polimero lineare. Le catene quando sono allineate si attraggono tramite legami idrogeno. Esistono diversi tipi di poliammide (PA 6.6 ; PA 6 ; PA 11) che indicano il numero di atomi di carbonio in ogni monomero (unità di base) di una catena. I monomeri sono legati tra di loro mediante polimerizzazione: Nel caso del PA 6.6 si avrà la policondensazione tra un una diammina (ammina con due gruppi N 2 e contenente 6 atomi di carbonio) e un acido bicarbossilico (acido con due gruppi -, contenente in tutto 6 atomi di carbonio) con eliminazione di una molecola di acqua ( 2 ) Tra i due monomeri si formerà un gruppo ammidico Le catene di PA cristallizzano facilmente, visto che si possono allineare molto bene tra di loro. Questa caratteristica influenza le proprietà della fibra: Tenacità elevata resistenza alle flessioni e all usura (tra le migliori fibre) resistenza alla gualcitura discreta La tenacità può essere differente a seconda del grado di polimerizzazione (numero di monomeri per catena) e da come viene stirata all uscita dalla filiera (vedi anche poliestere)

16 IMIA del ARBNI 16 Relazioni tra le diverse materie prime per la produzione dei componenti del NYLN (poliammide) PETRLI icloesano icloesanone Acido Adipico -( 2 ) 4 - atrame di carbone Benzolo Pula di riso o avena Furano Adiponitrile PETRLI Butilene Idrocaburi semplici Melassa di cereali ETILENE alcool etilico Butadiene Esametilendiammina 2 N-( 2 ) 6 -N 2 La cellulosa: cotone, lino, viscosa, acetato La cellulosa è un polimero formato da monomeri di GLUSI la polimerizzazione avviene per policondensazione con eliminazione di una molecola d acqua Polimero di ELLULSA Guardando attentamente si osserva che i monomeri di glucosio sono rovesciati di 180 uno rispetto all altro. I gruppi - presenti su ogni monomero (che è poi, come visto, una molecola di glucosio) possono formare legami idrogeno, tra le diverse catene di cellulosa. Questi gruppi - possono reagire con acido acetico 3 formando un gruppo - 3 (estere) : se uno solo dei gruppi - viene sostituito avremo MNAETAT se tutti e tre i gruppi - vengono sostituiti avremo TRIAETAT. e dare per esempio delle molecole di AETAT IL TNE è composto dal 85% di cellulosa, dal 5% di altre fibre e da un 10% di acqua Il LIN è composto da circa 70%-84% di cellulosa; il resto da altre fibre simili alla cellulosa, dal 6% di lignina (che rende la fibra diversa dal cotone), dal 10% di acqua. La VISSA è cellulosa rigenerata a partire dalla pasta di legno (come l acetato) Il UPR viene ottenuta dalla cellulosa contenuta nei linters di cotone mediante il procedimento cuproammoniacale per solubilizzazione in [u(n 3 ) 4 ]() 2

17 IMIA del ARBNI 17 Il grado di polimerizzazione (vale a dire il numero n di monomeri per catena) varia secondo la fibra rigine Grado di polimerizzazione n abete 600 cotone grezzo 2100 juta 2200 lino 2400 ramié 2600 linters di cotone 3000 Fibra Grado di polimerizzazione n Viscosa acetato 200 cupro

18 IMIA del ARBNI 18 PRTEINE: Alfa e beta cheratina LANA E SETA Le fibre tessili di origine animale più comuni sono: La lana I peli lanosi non proveniente dalla pecora la seta himicamente sono fibre proteiche, formate da catene di amminoacidi: La lana e i peli lanosi sono costituiti da α cheratina La seta da fibroina e sericina N R Un amminoacido è composto da un gruppo amminico -N 2, da un gruppo carbossilico - legati a un atomo di carbonio centrale. A questo atomo di carbonio sono legati un atomo di idrogeno e un gruppo di atomi, che indichiamo per semplicità R. Esistono circa 20 tipi di gruppi R, e quindi 20 tipi di amminoacidi Una proteina sarà formata dalla policondensazione diversi amminoacidi, in numero e in sequenza assolutamente specifico per ogni proteina Tra i due monomeri si formerà un gruppo ammidico La struttura tridimensionale dell alfa cheratina (lana naturale non sottoposta ad alcuna sollecitazione) è diversa da quella della beta cheratina (fibre di lana sotto tensione) e della fibroina (seta).

19 IMIA del ARBNI 19 ELIA ALFA stabilizzata da ponti idrogeno (alfa cheratina) FGLIETT RIPIEGAT (beta cheratina e fibroina) Fibre poliacriliche Le fibre poliacriliche sono prodotte dalla polimerizzazione (solitamente radicalica) dell'acrilonitrile; talvolta per modificarne le proprietà all'acrilonitrile si aggiungono altri co-monomeri quali l'acrilato di metile e l'acetato di vinile. Si veda lo schema sottostante per la relativa struttura molecolare. Talvolta vengono usati altri copolimeri non acrilici per usi particolari, come ad esempio il cloruro di vinile per ottenere fibre a bassa infiammabilità (modacrylic fibres), oppure con lo stirene (nelle plastiche).

20 Fibre poliuretaniche e poliureiche IMIA del ARBNI Solitamente i poliuretani sono utilizzati nella fabbricazione di materiali di imbottitura (sotto forma di schiume); ma per il settore tessile c'è un'importante eccezione: il Lycra (chiamato tecnicamente Spandex). Vediamo la sua struttura molecolare. 20 Altri esempi di poliuretani e poliuree (che spesso sono comunque venduti come poliuretani a causa del nome disgustoso ). Link utili

21 IL ARBNI chimica tessile IMIA del ARBNI 21 Il carbonio è un elemento molto versatile. In natura è meno abbondante di altri elementi (come ossigeno e silicio), ma è facilmente reperibile: la grafite e il diamante sono due forme di carbonio puro che hanno proprietà fisiche molto diverse. I diamanti sono cristalli trasparenti ottaedrici, incolori se puri, con colorazioni che vanno dall'azzurro pallido al nero lucente se contengono impurità. Il dia-mante è la sostanza più dura che si conosca, è un isolante elettrico ma, opportunamente drogato, si comporta come un semiconduttore. è anche il miglior conduttore di calore; questa proprietà, unita alla durezza, rende il diamante un ottimo abrasivo, perché può consumare tutte le altre sostanze senza surriscaldarsi per l'attrito. La maggior parte dei diamanti è estratta dalle miniere del Sudafrica, altri provengono dal Sud America. I diamanti sono anche prodotti artificialmente ad alte temperature e pressioni; in genere sono usati negli utensili per tagliare il vetro e altre sostanze molto dure. La grafite è un solido nero e lucido; è un ottimo conduttore di elettricità. Si estrae in forma cristallina o si ottiene scaldando carbone e pece in forni ad altissima temperatura. ìi diamante e la grafite sono due forme allotropiche del carbonio: sono entrambi solidi cristallini, ma hanno strutture diverse e quindi diverse proprietà. Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi in una struttura tridimensionale rigida (v. figura). Nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti in strati; in ogni strato gli atomi sono legati in maglie esagonali. Gli strati possono scivolare gli uni sugli altri, perciò la grafite è scivolosa al tatto e può essere usata come lubrificante.. Recentemente è stata scoperta un'altra forma pura del carbonio, che consiste di molecole discrete; la più stabile di queste molecole giganti è il buckminsterfullerene (60). Il nome deriva da Buckminster Fuller, l'ingegnere che ha inventato le cupole geodesiche. La molecola 60 ha una forma cava simile a$quella di un pallone di calcio. Si ottiene facilmente in laboratorio bruciando la paraffina sulla fiamma di un bruciatore bunsen. Si forma così una «fuliggine» che è composta quasi interamente di molecole 60 e, in misura minore, di molecole più piccole con una struttura simile. Il buckminsterfullerene non è una curiosità da laboratorio; la sua forma quasi sferica, ad esempio, lascia prevedere che possa essere uno straordinario lubrificante, che riduce al minimo l'attrito fra due superfici in contatto. Il carbonio è uno dei costituenti principali di piante e animali. E contenuto in molecole complesse, che iniziano ad essere trasformate alla morte degli organismi. osì, per graduale decomposizione delle molecole organiche i resti dei vegetali si arricchiscono di carbonio e si forma il carbone. Scaldando carbone in assenza di aria si ottiene il coke, costituito da grafite per il 90-95%. Il carbone di legna, costituito da minuscoli cristalli di grafite, si ottiene per distillazione del legno o delle ossa. Il nerofumo è un residuo di grafite che si produce bruciando gas naturale in ambiente povero di aria. Il carbonio trova molte applicazioni in diversi campi. I diamanti sono pietre i, preziose e vengono usati per la fabbricazione di strumenti che richiedono durezza e resistenza all'uso, come le puntine dei giradischi. La grafite viene usata in molti casi come lubrificante, ma anche nelle pile a secco, nelle vernici e nei detersivi. La «mina» delle matite è un miscuglio di grafite e argilla; gli strati di grafite vengono staccati dalla punta della matita in seguito alla frizione con il foglio di carta. La quantità di argilla determina la durezza della matita. Il carbone di legna ha la proprietà di assorbire sulla sua superficie grandi quantità di gas; perciò è utilizzato negli impianti di depurazione delle acque, nelle maschere antigas e per eliminare le sostanze coloranti dalle soluzioni (ad esempio nella raffinazione dello zucchero). Il coke è un combustibile ed è usato, negli altiforni per estrarre il ferro puro dai suoi minerali. Ferro e carbonio, in lega, formano l'acciaio. Il nerofumo, l'additivo che rende nera la gomma dei pneumatici, viene utilizzato nella produzione di carta carbone, inchiostri da stampa e lucidi da scarpe. In più, il carbonio si combina con altri' elementi e forma un'infinità di composti. Gli idrocarburi, composti da carbonio e idrogeno, sono i, costituenti principali del petrolio e del gas naturale. Gli idrocarburi e i loro derivati sono così numerosi che un intero settore della chimica, la chimica

22 IMIA del ARBNI organica, si occupa di studiarli e di trasformarli per ottenere nuovi prodotti. Il carbonio si trova anche nell'atmosfera, sotto forma di diossido di carbonio (2). In anni recenti è stato dimostrato che l'accumulo atmosferico di 2 proveniente dagli scarichi delle combustioni industriali o dalle attività umane contribuisce al cosiddetto effetto serra, che provoca un graduale riscaldamento della Terra. Il monossido di carbonio () è un gas combustibile, è inodore, incolore, insapore ed estremamente velenoso: respirare anche una piccola quantità di monossido di carbonio può essere mortale. on il cloro, il carbonio forma il cloroformio (13), un anestetico, e il tetracloruro di carbonio (14), che viene usato come solvente. Il carbonio si combina anche con cloro e fluoro e forma i clorofluorocarburi (abbreviati con la sigla F), usati fino ad oggi negli impianti frigoriferi e nelle confezioni spray. ggi i F sono vietati, perché la loro dispersione nell'atmosfera danneggia lo strato di ozono, che protegge la Terra dalle radiazioni solari ultraviolette. Due forme cristalline allotropiche del carbonio. (a) Diamante: ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi e forma una unità tetraedrica che si ripete nelle tre dimensioni dello spazio. Le distanze fra gli atomi di carbonio sono state esagerate. (b) Grafite: gli strati possono facilmente scivolare gli uni sugli altri. In ogni strato gli atomi di carbonio sono disposti in maglie esagonali. 22