Termine

• Allotropidiverse forme di un elemento chimico.

L’allotropia è la proprietà di alcuni elementi chimici di esistere in due o più forme diverse, o allotropi, quando si trovano in natura. Ci sono diversi allotropi di carbonio.

Diamante

Il diamante è probabilmente l’allotropo di carbonio più noto. Gli atomi di carbonio sono disposti in un reticolo, che è una variazione della struttura cristallina cubica centrata sulla faccia. Ha qualità fisiche superlative, la maggior parte delle quali provengono dal forte legame covalente tra i suoi atomi. Ogni atomo di carbonio in un diamante è legato covalentemente ad altri quattro carboni in un tetraedro. Questi tetraedri formano insieme una rete tridimensionale di anelli di carbonio a sei membri nella conformazione della sedia, consentendo una deformazione ad angolo di legame zero. Questa rete stabile di legami covalenti e anelli esagonali è la ragione per cui il diamante è così incredibilmente forte come sostanza.

Di conseguenza, il diamante presenta la massima durezza e conduttività termica di qualsiasi materiale sfuso. Inoltre, il suo reticolo rigido impedisce la contaminazione da molti elementi. La superficie del diamante è lipofila e idrofobica, il che significa che non può bagnarsi dall’acqua ma può essere in olio. I diamanti generalmente non reagiscono con reagenti chimici, inclusi acidi e basi forti. Gli usi del diamante includono il taglio, la perforazione e la macinazione; gioielli; e nell’industria dei semiconduttori.

Grafite

La grafite è un altro allotropo del carbonio; a differenza del diamante, è un conduttore elettrico e un semi-metallo. La grafite è la forma più stabile di carbonio in condizioni standard e viene utilizzata in termochimica come stato standard per definire il calore di formazione dei composti del carbonio. Esistono tre tipi di grafite naturale:

1. Cristallina grafite: isolato, piatto, piatto di particelle di tipo esagonale bordi
2. grafite Amorfa: le polveri sottili, il risultato di metamorfismo termico di carbone; a volte chiamato meta-antracite
3. Forfettaria o della vena grafite: si verifica nella fessura vene o fratture, appare come escrescenze di fibrosi o acicular cristallino aggregati

la Grafite ha una stratificato, struttura planare. In ogni strato, gli atomi di carbonio sono disposti in un reticolo esagonale con separazione di 0,142 nm e la distanza tra i piani (strati) è di 0,335 nm. Le due forme conosciute di grafite, alfa (esagonale) e beta (romboedrica), hanno proprietà fisiche molto simili (tranne che gli strati si impilano in modo leggermente diverso). La grafite esagonale può essere piatta o allacciata. La forma alfa può essere convertita nella forma beta attraverso un trattamento meccanico e la forma beta ritorna alla forma alfa quando viene riscaldata sopra i 1300 °C. La grafite può condurre elettricità a causa della vasta delocalizzazione degli elettroni all’interno degli strati di carbonio; poiché gli elettroni sono liberi di muoversi, l’elettricità si muove attraverso il piano degli strati. La grafite ha anche proprietà lubrificanti autolubrificanti e asciutte. La grafite ha applicazioni in materiali protesici contenenti sangue e materiali resistenti al calore in quanto può resistere a temperature fino a 3000 °C.

Un singolo strato di grafite è chiamato grafene. Questo materiale mostra straordinarie proprietà elettriche, termiche e fisiche. È un allotropo del carbonio di cui la struttura è un singolo strato planare degli atomi di carbonio legati sp2 che sono densamente imballati in un reticolo cristallino del favo. La lunghezza del legame carbonio-carbonio in grafene è ~ 0.142 nm e questi fogli si impilano per formare grafite con una spaziatura interplanare di 0,335 nm. Il grafene è l’elemento strutturale di base degli allotropi di carbonio come grafite, carbone, nanotubi di carbonio e fullereni. Il grafene è un semiconduttore semi-metallico o zero-gap, che consente di visualizzare un’elevata mobilità degli elettroni a temperatura ambiente. Il grafene è una nuova entusiasmante classe di materiale le cui proprietà uniche lo rendono oggetto di ricerche in corso in molti laboratori.

Carbonio amorfo

Il carbonio amorfo si riferisce al carbonio che non ha una struttura cristallina. Anche se il carbonio amorfo può essere fabbricato, esistono ancora alcuni cristalli microscopici di carbonio simile alla grafite o al diamante. Le proprietà del carbonio amorfo dipendono dal rapporto tra i legami ibridati sp2 e sp3 presenti nel materiale. La grafite è costituita esclusivamente da legami ibridati sp2, mentre il diamante è costituito esclusivamente da legami ibridati sp3. I materiali ad alto contenuto di legami ibridati sp3 sono indicati come carbonio amorfo tetraedrico (a causa della forma tetraedrica formata da legami ibridati sp3), o carbonio simile al diamante (a causa della somiglianza di molte delle sue proprietà fisiche con quelle del diamante).

Fullereni e nanotubi

I nanomateriali di carbonio costituiscono un’altra classe di allotropi di carbonio. I fullereni (chiamati anche buckyballs) sono molecole di varie dimensioni composte interamente di carbonio che assumono la forma di sfere cave, ellissoidi o tubi. Buckyballs e buckytubes sono stati oggetto di intense ricerche, sia per la loro chimica unica che per le loro applicazioni tecnologiche, specialmente nella scienza dei materiali, nell’elettronica e nelle nanotecnologie. I nanotubi di carbonio sono molecole di carbonio cilindriche che presentano una forza straordinaria e proprietà elettriche uniche e sono conduttori efficienti di calore. I nanobud di carbonio sono allotropi recentemente scoperti in cui “gemme” simili a fullerene sono attaccate covalentemente alle pareti laterali esterne di un nanotubo di carbonio. I nanobud presentano quindi proprietà sia dei nanotubi che dei fullereni.

Carbonio vetroso

Il carbonio vetroso o vitreo è una classe di carbonio ampiamente utilizzata come materiale per elettrodi nell’elettrochimica, nei dispositivi protesici e nei crogioli ad alta temperatura. Le sue proprietà più importanti sono resistenza alle alte temperature, durezza, bassa densità, bassa resistenza elettrica, basso attrito, bassa resistenza termica, estrema resistenza agli attacchi chimici e impermeabilità a gas e liquidi.

Altri allotropi

Altri allotropi di carbonio includono nanofoam di carbonio, che è un gruppo di cluster a bassa densità di atomi di carbonio legati insieme in una rete tridimensionale allentata; carbonio atomico e biatomico puro; e carbonio acetilenico lineare, che è un polimero di carbonio unidimensionale con la struttura-(C:::C)n -.